Молекулярные основы действия нанофототераностических агентов фталоцианинового ряда

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 24-13-00479

НазваниеМолекулярные основы действия нанофототераностических агентов фталоцианинового ряда

Руководитель Горбунова Юлия Германовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 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 фталоцианины, супрамолекулярная химия, агрегация, наночастицы, активные формы кислорода, синглетный кислород, фотосенсибилизаторы, фотодинамическая терапия, контролируемое высвобождение препаратов

Код ГРНТИ31.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Онкологические заболевания являются одной из главных проблем человечества. По прогнозам ВОЗ, к 2030 году онкологические заболевания станут причиной ежегодной смерти около семнадцати миллионов людей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) с использованием фотосенсибилизаторов (ФС) имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными стратегиями борьбы с онкологическими заболеваниями, прежде всего, химиотерапией. Проведение ФДТ не сопряжено с большими инвазивными вмешательствами, такая терапия оказывает в целом низкое побочное токсическое действие, а также весьма проста в исполнении и имеет относительно низкую стоимость. Фотосенсибилизатор, накопленный в опухолевых клетках, поглощает свет с определенной длиной волны и передает энергию возбужденного состояния окружающим молекулам, что приводит к образованию синглетного кислорода, разрушающего опухолевые клетки. В качестве ФС широко изучаются фталоцианины, обладающими оптимальными фотофизическими свойствами для клинического применения. Однако наличие у них обширной ароматической системы придает молекулам высокую гидрофобность, что приводит к их агрегации за счет стекинг-взаимодействий, снижает растворимость в воде и ухудшает способность к генерации синглетного кислорода по сравнению с мономерными формами. Способность существовать в виде мономеров является важным требованием, предъявляемым сегодня к ФС. Традиционным решением данной проблемы является введение в молекулу объемных гидрофильных заместителей, что усложняет их синтез и снижает биодоступность. В данном проекте мы предлагаем новую парадигму - альтернативный взгляд на проблему агрегации ФС на основе фталоцианинов и возможность их использования в ФДТ. Мы предлагаем рассматривать агрегацию как движущую силу супрамолекулярной самосборки, приводящей к образованию наноструктурированных ансамблей. Образующиеся наночастицы потенциально способны к более эффективному накоплению в опухолевых тканях, в частности, за счет эффекта их повышенной проницаемости и удерживания. С другой стороны, такие агрегаты могут проявлять способность к генерации других активных форм кислорода, отличной от генерации синглетного кислорода мономерными формами. Также они могут проявлять фототермический эффект, что может быть важно для достижения терапевтического результата в гипоксическом окружении опухолевых тканей. Помимо этого, фотоакустический эффект, проявляемый агрегатами, может способствовать созданию новых диагностических агентов. Таким образом, целью проекта является проведение систематического исследования агрегационного поведения, фотофизических и биологических свойств фотосенсибилизаторов, способных к супрамолекулярной самосборке. В качестве таких ФС мы предлагаем использовать ряды новых фталоцианинов с различным количеством и расположением заряженных и нейтральных заместителей, и их металлокомплексов с элементами, обеспечивающими эффект тяжелого атома для эффективной генерации АФК. Будет исследована эволюция фталоцианиновых агрегатов в биологическом окружении, определена цитотоксичность, изучены накопление и локализация ФС в клетках, осуществлена визуализация внутриклеточного окислительного стресса и показана возможность реализации других типов отклика фталоцианиновых агрегатов на фотовозбуждение. Таким образом, проект представляет собой масштабное мультидисциплинарное исследование, которое включает использование опыта и знаний специалистов в области координационной химии, органического синтеза, физической химии, а также биологии. Результаты исследования могут иметь прикладное значение для разработки новых эффективных препаратов для фотодинамической терапии и диагностики. Возможность выполнения заявленных задач обеспечена многолетним разносторонним опытом научного коллектива проекта в синтезе и исследовании свойств фталоцианинов, наличием обширного парка оборудования и многочисленных устоявшихся научно-технических контактов с коллективами, деятельность которых напрямую связана с задачами данного проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основные задачи проекта направлены на преодоление ограничений, связанных с агрегацией фталоцианиновых фотосенсибилизаторов – как компонентов для терапии и диагностики онкологических заболеваний за счет детального изучения молекулярных механизмов фотодинамического воздействия агрегатов. Для решения этих задач в отчетном периоде проводились работы, связанные с синтезом поликатионных фталоцианинов и исследованием их фотофизических свойств и фотодинамической активности, включая эксперименты с клетками. При помощи ранее разработанной стратегии с использованием реакции восстановительного аминирования [Bunin D.A. et al. Dyes Pigm. 2022, 207, 110768] были получены препаративные количества 8 типов поликатионных фталоцианинатов цинка с различным количеством и положением заряженных заместителей. С использованием комплекса спектроскопических методов (электронная спектроскопия поглощения, флуоресцентная спектроскопия, динамическое рассеяние света) было изучено их агрегационное поведение в фосфатно-буферном растворе, в том числе в присутствии бычьего сывороточного альбумина (БСА) и других белков плазмы крови. Показано, что агрегированные формы катионных фталоцианинов могут разрушаться на поверхности мембран опухолевых клеток за счет электростатических и координационных взаимодействий липидов с катионными комплексами. Отдельно, с использованием флуоресцентной спектроскопии, проведены исследования возможных сайтов связывания катионных фталоцианинов в молекуле БСА. Проведена оценка темновой и световой цитотоксичности серии полученных катионных фталоцианинатов цинка против клеток MCF-7 (аденокарцинома протоков молочной железы), MDA-MB-231 (рак молочной железы) и WI-26 (нормальные иммортализованные фибробласты ткани легкого эмбриона человека). Для выражения фотодинамического эффекта использовались величины ингибирования 50% пролиферации клеток, определенные по MTT-тесту. Была обнаружена диссоциация агрегированных форм катионных фталоцианинов внутри клеток и как следствие этого, высокая фотодинамическая активность фталоцианинатов цинка против опухолевых клеток MCF-7 и MDA-MB-231 с величинами IC50 в наномолярном и субмикромолярном диапазонах, независимо от агрегационного поведения в фосфатно-буферном растворе. Световая токсичность изученных фотосенсибилизаторов в 83 – 3704 раза превышает их темновую токсичность. Важно отметить, что фототоксичность большинства исследованных катионных фталоцианинов против клеток MCF-7 на порядок превышает фототоксичность коммерческого фотосенсибилизатора Фотосенс — сульфированного фталоцианината гидроксиалюминия. При этом, для достижения такого эффекта полученными в работе фотосенсибилизаторами требуется световая доза, в три раза меньшая, чем для Фотосенса (3.5 против 11.2 Дж/см2 для Фотосенса). С целью выяснения механизмов фотосенсибилизации и четкого выявления фотогенерации синглетного кислорода и других активных форм кислорода (АФК) был разработан подход и найдены специфичные ловушки, отдельно определяющие синглетный кислород в водных растворах и неспецифичные к АФК и отдельно применяемые для определения всех форм АФК. На примере полученных поликатионных фталоцианинатов цинка было обнаружено, что агрегированные формы способны к фотогенерации радикальных АФК. Впервые проведено сравнение фотодинамической активности катионного несимметричного фталоцианината цинка и его некватернизованного аналога. Было показано, что катионный комплекс гораздо более фототоксичен против клеток MCF-7 (IC50 = 0.027 μM), чем его некватернизованный аналог (IC50 = 4.84 μM), однако последний проявил значительный фототермический эффект. Такая склонность агрегированных форм катионных фталоцианинов требует детального изучения и будет являться предметом наших дальнейших исследований. По результатам этого отчетного периода была опубликована статья в профильном журнале J. Med. Chem. и глава в коллективном обзоре в журнале Успехи химии, посвященная биомедицинским приложениям тетрапиррольных соединений. Результаты работ представлялись на профильных конференциях в виде пленарных и стендовых докладов: XV Международная конференция «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» и XXII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии.

Публикации

1. Горбунова Ю.Г. Молекулярные основы действия нанофототераностических агентов фталоцианинового ряда Сборник тезисов XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24-29 июня 2024 г., Иваново, Россия, Сборник тезисов XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» , с.5 (год публикации - 2024)

2. Чарушин В. Н., Вербицкий Е. В., Чупахин О. Н., Горбунова Ю. Г., Мартынов А. Г., Цивадзе А. Ю. и др Успехи в химии гетероциклических соединений в 21 веке Успехи химии, 93 (7), RCR5125 (год публикации - 2024)
10.59761/RCR5125

3. Бунин Д.А., Акасов Р.А., Мартынов А.Г., Степанова М.П., Монич С.В., Цивадзе А.Ю., Горбунова Ю.Г. Pivotal Role of the Intracellular Microenvironment in the High Photodynamic Activity of Cationic Phthalocyanines J. Medicinal Chemistry (год публикации - 2024)
doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c02451

4. Монич С.В., Акасов Р.А., Бунин Д.А., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Synthesis and photodynamic activity of new tetracationic zinc phthalocyaninates XXII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, October 7-12, 2024, Federal Territory “Sirius”, Russia. Book of abstracts in 7 volumes. Volume 5. — М.: “Buki Vedi” LLC, 2024, Тезисы XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, Т. 5, стр. 86. (год публикации - 2024)

5. Мартынов А.Г. Современные квантово-химические подходы к дизайну и интерпретации свойств фотосенсибилизаторов на основе фталоцианинов и их аналогов Сборник тезисов XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15), 24-29 июня 2024 г., Иваново, Россия, Сборник тезисов XV Международной конференции «Синтез и применение порфиринов «Синтез и применение порфиринов и их аналогов», с. 32 (год публикации - 2024)

6. Михеев И.А., Ягодин А.В., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г. Design of new pyrazinoporphyrazines and quinoxalinoporphyrazines XXII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, October 7-12, 2024, Federal Territory “Sirius”, Russia. Book of abstracts in 7 volumes. Volume 5. — М.: “Buki Vedi” LLC, 2024, Abstracts of XXII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, v.5, p. 85. (год публикации - 2024)

7. Горбунова Ю.Г. Фотодинамическая терапия: достижения, догмы, противоречия и перспективы Сборник тезисов IV Всероссийской школы-конференции с международным участием по биосовместимой электронике и робототехнике, Псков, Россия, 29 июня – 3 июля 2025 г., Сборник тезисов IV Всероссийской школы-конференции с международным участием по биосовместимой электронике и робототехнике, Псков, Россия, 29 июня – 3 июля 2025 г., стр. 11 (год публикации - 2025)
-

8. Горбунова Ю.Г. Роль агрегации в проявлении активности фотосенсибилизаторов Сборник тезисов XXIX Международной Чугаевской конференции по координационной химии, Казань, Россия, 23-27 июня 2025 г., Сборник тезисов XXIX Международной Чугаевской конференции по координационной химии, Казань, Россия, 23-27 июня 2025 г., стр. 8 (год публикации - 2025)
Нет

9. Горбунова Ю.Г., Бунин Д.А., Мартынов А.Г. Pivotal role of the intracellular microenvironment in the high photodynamic activity of cationic phthalocyanines Сборник тезисов VII Международной конференции Европейского химического общества по неорганической химии «7th EuChemS Inorganic Chemistry Conference», Белград, Сербия, 7-11 сентября 2025 г., Сборник тезисов VII Международной конференции Европейского химического общества по неорганической химии «7th EuChemS Inorganic Chemistry Conference», Белград, Сербия, 7-11 сентября 2025 г., стр. 87 (год публикации - 2025)
-

10. Горбунова Ю.Г. Фталоцианины в фотодинамической терапии: взгляд со стороны супрамолекулярной химии Сборник тезисов конференции с международным участием «VIII Разуваевские Чтения. Все грани свободнорадикальной, элементоорганической и координационной химии», Нижний Новгород, Россия, 14-19 сентября 2025 г., Сборник тезисов конференции с международным участием «VIII Разуваевские Чтения. Все грани свободнорадикальной, элементоорганической и координационной химии», Нижний Новгород, Россия, 14-19 сентября 2025 г., стр. 5 (год публикации - 2025)
-

11. Горбунова Ю.Г. Приручение света: от древности до медицинских технологий будущего Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., стр. 9 (год публикации - 2025)
-

12. Бунин Д.А., Егорова Т.В., Шрам П.П., Рязанцев И.А., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Новые несимметричные амфифильные водорастворимые фталоцианины — мультифункциональные фотоактивируемые агенты Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., стр. 107 (год публикации - 2025)
-

13. Монич С.В., Бунин Д.А., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Синтез амфифильных несимметричных водорастворимых фталоцианинов c нейтральными и катионными заместителями Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., стр. 133 (год публикации - 2025)
-

14. Горбунова Ю.Г. Pivotal role of the supramolecular interactions in the photodynamic activity of cationic phthalocyanines Сборник тезисов X Азиатской конференции по координационной химии (The 10th Asian Conference on Coordination Chemistry), Ханой, Вьетнам, 24-27 октября 2025 г., Сборник тезисов X Азиатской конференции по координационной химии (The 10th Asian Conference on Coordination Chemistry), Ханой, Вьетнам, 24-27 октября 2025 г., стр. 339 (год публикации - 2025)
-

15. Степанова М.П. Егорова Т.В., Шрам П.П., Бунин Д.А., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Синтез водорастворимого октакатионного фталоцианината меди Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., Актуальные вопросы фотоуправляемых и фармакологически активных соединений: материалы 1-ой Всероссийской конференции, Москва, Россия, 22 – 24 октября 2025 г., стр. 144 (год публикации - 2025)
-

16. Бунин Д.А., Акасов Р.А., Мартынов А.Г., Степанова М.П., Монич С.В., Цивадзе А.Ю., Горбунова Ю.Г. Pivotal Role of the Intracellular Microenvironment in the High Photodynamic Activity of Cationic Phthalocyanines American Chemical Society, J. of Medicinal Chemistry, J. Med. Chem. 2025, т. 68, № 1, с. 658–673. (год публикации - 2025)
10.1021/acs.jmedchem.4c02451

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде осуществлен поиск фотосенсибилизаторов и подходов к переходу от второго маршрута фотодинамической терапии, протекающего через генерацию синглетного кислорода к первому маршруту с генерацией супероксид-аниона и других радикальных активных форм кислорода, опосредованный наноструктурированием фотосенсибилизаторов на основе фталоцианинов. Исследования этого перехода находятся на переднем крае (био)фотоники (Nat. Commun. 2025, 16, 326) и могут оказаться полезны для преодоления проблемы гипоксии опухолевых клеток при проведении фотодинамической терапии. Для решения этих задач в отчетном периоде проводились работы по разработке синтетических подходов к получению амфифильных фталоцианинов — молекулярных «строительных блоков», способных к самосборке в водных растворах с образованием наночастиц, в том числе отдельное внимание уделялось получению несимметричных производных, а также ионных (катионных и анионных) фотосенсибилизаторов, склонных к сборке за счет электростатических взаимодействий. С использованием широкого круга физико-химических методов проведена фотофизическая и коллоидно-химическая характеризация полученных наночастиц, а также исследована их стабильность в биологическом окружении (белки, суспензия опухолевых клеток) с привлечением широкого круга современных физико-химических методов. Для выявления механизмов фотосенсибилизации наночастиц использовались химические ловушки, в результате было показано, что при практически отсутствующей фотогенерации синглетного кислорода, наночастицы способны проявлять фотоактивность по I маршруту ФДТ и генерировать супероксид-анион. Для его обнаружения предварительно была проведена методологическая работа по выработке корректного протокола работы с химической ловушкой дигидроэтидий, итогом которой стал рациональный выбор аналитического сигнала в спектрах возбуждения флуоресценции продуктов окисления дигидроэтидия, позволяющий делать вывод об образовании продукта реакции дигидроэтидия с супероксид-анионом. Реализованы исследования фототермической активности полученных фталоцианиновых наночастиц с получением концентрационной зависимости температур нагрева, индуцированного облучением, а также исследование воспроизводимости величин температур нагрева растворов наночастиц при чередовании световой и темновой экспозиции и их стабильности после светового воздействия. Обнаружено, что наночастицы, сформированные из нейтральных амино-содержащих фталоцианинатов цинка(II) более стабильны при фототермическом воздействии, нежели их аналоги, полученные из катионных комплексов цинка(II). Кроме того, использование парамагнитного катиона Cu2+ в качестве комплексообразователя позволяет существенно повысить эффективность фототермической конверсии по сравнению со свободным основанием фталоцианина. Разработанные синтетические и методологические подходы позволили получать наночастицы, продемонстрировавшие высокую фототоксичность против клеток аденокарциномы молочной железы MCF-7 (IC50 < 1 μM, 660 нм, 3.7 Дж/см2) как в условиях нормального, так и пониженного (1%) содержания кислорода, что позволяет сделать вывод о проявлении наночастицами I маршрута ФДТ in vitro, который менее зависит от содержания кислорода. Таким образом, в ходе отчетного периода исследованы возможности перехода от II маршрута ФДТ к I маршруту при самосборке фотосенсибилизаторов на основе фталоцианинов в водных средах. Получены и систематически исследованы при помощи различных физико-химических методов прототипы нанофотосенсибилизаторов, способных действовать по I маршруту ФДТ с генерацией кислородсодержащих радикалов и фототермически, что может быть полезно для преодоления проблемы гипоксии опухолей. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: Пресс-релиз «Найден способ превратить недостатки фотоактивных молекул для лечения онкологических заболеваний в достоинства» на сайте РНФ (4 февраля 2025 года) https://rscf.ru/news/release/nayden-sposob-prevratit-nedostatki-fotoaktivnykh-molekul-dlya-lecheniya-onkologicheskikh-zabolevaniy/# Пресс-релиз «Раковые клетки могут усиливать действие лекарств против себя» на портале РИА НОВОСТИ. НАУКА. (4 февраля 2025 года) https://ria.ru/20250204/nauka-1997272498.html Пресс-релиз «Недостатки фотоактивных молекул для лечения рака смогли превратить в достоинства» на портале «Научная Россия» (4 февраля 2025 года) https://scientificrussia.ru/articles/nedostatki-fotoaktivnyh-molekul-dla-lecenia-raka-smogli-prevratit-v-dostoinstva

Публикации