Контраст-реагенты для МРТ на основе дендримеров, целиком собранных из нитроксильных радикалов

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 23-13-00178

НазваниеКонтраст-реагенты для МРТ на основе дендримеров, целиком собранных из нитроксильных радикалов

Руководитель Кирилюк Игорь Анатольевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые слова Нитроксильные радикалы, спиновые метки, контрастирующие агенты, магнитно-резонансная томография

Код ГРНТИ31.21.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Магнитно-резонансная томография является весьма эффективным и широко используемым неинвазивным средством диагностики злокачественных новообразований, нейродегенеративных и сосудистых патологий. Тем не менее, чувствительности современного оборудования не всегда хватает для визуализации морфологических и функциональных различий между тканями, что затрудняет выявление патологий и определение их локализации. В таких случаях используют контраст-реагенты. Все допущенные до медицинского применения контраст-реагенты сделаны на основе токсичных тяжёлых металлов, главным образом, гадолиния. Актуальность создания контраст-реагентов, не содержащих тяжёлых металлов, вызвана появившимися сведениями о токсических последствиях применения контраст-реагентов на основе гадолиния в медицинской диагностике, вызвавшими ограничения на применение этих препаратов со стороны Минздрава России (письмо № 20-3/1668 от 29.07.2021), Европейского медицинского агентства и Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Работы по поиску замены гадолиниевым контраст-реагентам ведутся во многих лабораториях мира. Одно из перспективных направлений - цельно-органические контраст-реагенты на основе дендримерных и полимерных структур с включением нитроксильных радикалов. Все известные контраст-реагенты такого рода содержат невысокую массовую долю нитроксильного радикала – лишь как покрытие на внешней стороне дендримерной (или полимерной) структуры или как включения в полимерную матрицу. Кроме того, используемые авторами таких работ нитроксильные радикалы быстро восстанавливаются в неактивные диамагнитные продукты в живых тканях, поэтому химики вынуждены буквально «прятать» нитроксильные фрагменты в полимерной матрице, покрывать их цепочками полиэтиленгликоля или других полимеров, чтобы как-то увеличить время их жизни. Такое «разбавление» приводит к понижению плотности радикалов в структуре, уменьшению обменных взаимодействий и падению релаксивности контраст-реагента. Авторами проекта разработаны оригинальные удобные методы синтеза устойчивых к восстановлению пространственно затрудненных нитроксильных радикалов пирролидинового ряда из доступных реагентов. Благодаря этому, команда авторов имеет доступ к широкому кругу структурно разнообразных и очень устойчивых к биогенным восстановителям нитроксильных радикалов. Авторы намерены синтезировать на основе таких радикалов би- и трифункциональные блоки (конструкционные элементы), из которых будут собираться дендримерные структуры путём последовательного наращивания слоёв с разветвлением. Таким образом, образующийся дендример будет представлять собой полирадикал, полностью состоящий из нитроксильных фрагментов. Ранее никто таких дендримеров не делал. Высокая устойчивость пространственно затрудненных нитроксильных радикалов позволяет отказаться от дополнительного экранирования радикального центра полиэтиленгликолем или другими полимерными фрагментами, ограничившись лишь введением гидрофильных полярных групп для обеспечения растворимости и подавления нежелательных взаимодействий с липофильными компонентами крови, клетками сосудов и окружающих тканей. Высокая плотность нитроксильных (радикальных) фрагментов согласно литературным данным, способствует нелинейному росту релаксивности. Это исследование позволит создать высокоэффективные и малотоксичные полностью органические контраст-реагенты для МРТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Усатов М.С., Добрынин С.А., Полиенко Ю.Ф., Морозов Д.А., Глазачев Ю.И., Аньков С.В., Толстикова Т.Г., Гатилов Ю.В., Багрянская И.Ю., Райзвих А.Е., Багрянская Е.Г., Кирилюк И.А. Hydrophilic reduction-resistant spin labels of pyrrolidine and pyrroline series from 3,4-bis-hydroxymethyl-2,2,5,5-tetraethylpyrrolidine-1-oxyl International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 2024, 25(3), 1550 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms25031550

2. Гульман М.М., Добрынин С.А., Гатилов Ю.В., Кирилюк И.А. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ВИНИЛОВЫЕ ЭФИРЫ - ПРОДУКТЫ ЦИКЛИЗАЦИИ 2,5,5-ТРИЭТИЛ-2-АЛКИНИЛ-3,4-БИС(ГИДРОКСИМЕТИЛ)ПИРРОЛИДИН-1-ОКСИЛОВ ХИМИЯ В ИНТЕРЕСАХ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ, ХИМИЯ В ИНТЕРЕСАХ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ Том: 32 Номер: 4 Год: 2024 Страницы: 475-481 (год публикации - 2024)
10.15372/KhUR2024578

3. Журко И.Ф., Добрынин С.А., Глазачев Ю.И., Гатилов Ю.В., Кирилюк И.А. 2,5-Di-tert-butyl-2,5-diethylpyrrolidine-1-oxyls: Where Is a Reasonable Limit of Sterical Loading for Higher Resistance to Reduction? Molecules, Molecules 2024, 29(3), 599 (год публикации - 2024)
10.3390/molecules29030599

4. Митин Д., Буллингер Ф., Добрынин С., Энгельманн Д., Шэффлер К., Колоколов М., Крумкачева О., Букенмайер К., Кирилюк И., Чубаров А. Contrast Agents Based on Human Serum Albumin and Nitroxides for 1H-MRI and Overhauser-Enhanced MRI International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 2024, 25(7), 4041 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25074041

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Отчет о выполнении работ в ходе второго года проекта № 23-13-00178 «Контраст-реагенты для МРТ на основе дендримеров, целиком собранных из нитроксильных радикалов» и полученных в 2024 году результатах Проект направлен на разработку методов синтеза дендримеров, целиком построенных из нитроксильных радикалов, высокоустойчивых к восстановлению компонентами живых тканей, для использования в качестве контраст-реагентов для ЯМР-томографии для медицинской диагностики. Актуальность этой работы вызвана появившимися сведениями о токсических последствиях применения контраст-реагентов на основе гадолиния в медицинской диагностике, вызвавшими ограничения на применение этих препаратов со стороны Минздрава России (письмо № 20-3/1668 от 29.07.2021), Европейского медицинского агентства и Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Полностью отказаться от использования контраст-реагентов нельзя, поскольку чувствительности современного оборудования для МРТ не всегда хватает для визуализации морфологических и функциональных различий между тканями, что затрудняет выявление патологий и определение их локализации. Все допущенные до медицинского применения контраст-реагенты сделаны на основе токсичных тяжёлых металлов, главным образом, гадолиния. Один из способов решения этой проблемы - цельно-органические контраст-реагенты на основе дендримерных и полимерных структур, содержащих фрагменты нитроксильных радикалов. Авторами данного проекта разработан простой и удобный способ получения полирадикальных материалов дендримерного и полимерного строения с большим количеством и высокой плотностью нитроксильных радикальных фрагментов. В основе этого метода лежит использование бифункциональных нитроксильных радикалов (блоков), содержащих два типа функциональных групп, позволяющих послойную сборку дендримера за счёт ковалентной пришивки блоков к основе и последующей активации концевых групп (дивергентный способ сборки). Для построения таких дендримеров используются нитроксильные радикалы, отличающиеся очень высокой устойчивостью к действию биогенных восстановителей и ферментативных систем. Методы синтеза таких нитроксильных радикалов – оригинальная разработка авторов. Варьирование основы (ядра), способа сборки и терминальных фрагментов позволяет получать полирадикальные материалы с желаемыми свойствами. С использованием разработанных в ходе выполнения этого проекта методик были получены полирадикалы, показавшие высокую релаксивность и устойчивость к восстановлению. В настоящее время идет поиск структур, обладающих оптимальными характеристиками для использования в качестве контраст-реагентов для МРТ-диагностики. Разработанные методы могут найти применение и за пределами данного проекта - в синтезе высокотехнологичных материалов различного назначения, например, компонентов для электродов гальванических элементов, антибактериальных покрытий, катализаторов и др..

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Целью проекта был синтез полностью органических контраст-реагентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ), способных заменить традиционные контраст-реагенты на основе гадолиния и других токсичных металлов. Актуальность этой работы вызвана появившимися сведениями о токсических последствиях применения контраст-реагентов на основе гадолиния в медицинской диагностике, вызвавшими ограничения на применение этих препаратов со стороны Минздрава России и контролирующих организаций других стран. Полностью отказаться от использования контраст-реагентов нельзя, поскольку чувствительности современного оборудования для МРТ не всегда хватает для визуализации морфологических и функциональных различий между тканями, что затрудняет выявление патологий и определение их локализации. Все допущенные до медицинского применения контраст-реагенты сделаны на основе токсичных тяжёлых металлов, главным образом, гадолиния. В ходе выполнения данного проекта нами синтезированы полностью органические соединения, которые могут оказаться достойной альтернативой гадолиниевым контраст-реагентам. Это соединения дендримерного и полимерного строения, структура которых включает большое количество стабильных нитроксильных радикалов. Для построения таких дендримеров используются нитроксильные радикалы, отличающиеся очень высокой устойчивостью к действию биогенных восстановителей и ферментативных систем. Методы синтеза таких нитроксильных радикалов – наша оригинальная разработка. Нами разработан простой и удобный способ получения дендримеров целиком из таких нитроксильных радикалов. В основе этого метода лежит использование бифункциональных нитроксильных радикалов (блоков), содержащих два типа функциональных групп, позволяющих послойную сборку дендримера за счёт ковалентного присоединения блоков к основе (ядру) и последующей активации концевых групп (дивергентный способ сборки). В 2025 г нами разработаны специальные методики оценки полноты и правильности сборки дендримеров из нитроксильных радикальных блоков, основанные на спектроскопии ЯМР. Для этого проводят восстановление нитроксильных фрагментов цинком в присутствии карбоновых кислот. Сравнение интегральных интенсивностей сигналов ядра дендримера в спектрах ЯМР 1Н с интенсивностями сигналов основных блоков и вспомогательных групп, присоединённых по терминальным фрагментам, позволяет сделать заключение о качестве сборки. В дополнение к ранее синтезированной серии дендримеров на ядре трис-(2-аминоэтил)-амина (TREN) G1 (18 радикалов) и G2 (42 радикала) в 2025 г были получены дендримеры G1 из циклена (12 радикалов) и флороглюцина G2 (21 радикал) и G3 (45 радикалов). Для обеспечения растворимости в воде изучены различные способы введения гидрофильных фрагментов по терминальным группам дендримеров. Весьма удачным оказался предложенный нами в 2025 г нитроксильный блок, дважды присоединяющийся по концевым аминогруппам и при последующем гидролизе образующий гидрофильный 4,5-дикарбокси-1,2,3-триазольный фрагмент. С помощью этой метки из дендримеров серии флороглюцина G1 и G2, дендримера PAMAM G3, и синтезированного нами ранее нитроксильного производного PAMAM G3 с концевыми аминогруппами получены полирадикалы - 18, 45, 64 и 128 радикалов, соответственно. Измерены релаксивности полученных дендримеров и других полирадикалов в различных магнитных полях. Показано, что релаксивность некоторых образцов полирадикалов в расчёте на один радикал растёт с увеличением молекулярной массы (числа радикальных звеньев). Измерение фантомных растворов водорастворимых полирадикалов показало широкий диапазон яркости образцов при изменении их концентрации. В 2025 г проведены токсикологические испытания одного из полученных дендримеров. Не обнаружено признаков токсичности в дозе до 1,5 г на килограмм живого веса. С учётом его высокой релаксивности (19 мМ-1с-1 при 1.88 Тл), доза этого вещества, необходимая для достижения эффекта, сопоставимого с действием наиболее распространённого гадолиниевого контраст-реагента - гадобутрола в стандартной медицинской дозировке (0.1 мл 1 М раствора на килограмм массы тела), составит примерно 1 г на килограмм, т.е., никаких токсических последствий не вызовет. Предположительно, высокая растворимость этого дендримера в воде позволит использовать разработанные для гадобутрола приёмы, например, динамическое или «болюсное» контрастирование (МРТ исследования с учётом динамики изменения интенсивности). Этот приём применяется, в частности, для диагностики нарушений кровообращения и онкологических заболеваний. Исследования этого и других подобных соединений продолжаются. Помимо задач данного проекта, разработанные методы могут найти применение в синтезе высокотехнологичных материалов различного назначения, например, компонентов для электродов гальванических элементов, антибактериальных покрытий, катализаторов и др.

Публикации