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 24-23-00318
НазваниеКонформационное многообразие как определяющий фактор дизайна новых форм лекарственных соединений
Руководитель Ходов Илья Анатольевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук , Ивановская обл
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности
Ключевые слова одно- и двумерная ЯМР спектроскопия, биологически активные соединения, фосфолипидные мембраны, ЯМР-спектроскопия в твердом, жидком и сверхкритическом состояниях
Код ГРНТИ31.15.15 31.15.00 76.03.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Рак является одной из важнейших проблем, требующих решения. В России порядка 3% населения состоит на учете в онкологическом диспансере. Одним из основных типов онкологических заболеваний у мужчин является рак предстательной железы. В терапии рака предстательной железы все чаще используют противонеопластические и антиандрогенные лекарственные соединения. Эффективным антиандрогенным соединением, используемым в терапии рака предстательной железы, является бикалутамид (Касодекс), который ингибирует образование комплекса стероид-андрогенового рецептора и обеспечивает преимущество перед другими методами терапии за счет воздействия на все андрогены. В частности бикалутамид проявляет лучшее сродство к андрогеновым рецепторам и антагонистические свойства почти во всех протестированных линиях раковых клеток простаты. Однако бикалутамид имеет побочные эффекты, включая гинекомастию, которая может привести к необратимой гиалинизации и фиброзу. Понимание характеристик связывания с липидной мембраной и особенностей конформационного многообразия бикалутамида в различных средах могут помочь найти пути улучшения фармакокинетики данного лекарственного соединения и разработать новые эффективные формы.
Создание научной основы, которая будет использоваться для понимания возможных путей модернизации форм с целью улучшения свойств и рассмотрения возможного получения форм с возможностью репозиционирования и нивелирования побочных эффектов. Дело в том, что рассматриваемый препарат бикалютамид имеет ряд побочных эффектов, которые необходимо устранить для лучшей эффективности лечения рака простаты, а также можно рассмотреть вероятные возможности получения форм с возможностью репозиционирования. Ряд побочных эффектов может быть обусловлен как особенностями формы лекарственного соединения, так и спецификой взаимодействия с липидной мембраной. Для получения более полной картины было бы разумно исследовать и то, и другое в рамках одного проекта, поэтому их исследование будет актуально. Научная новизна связана с использованием всестороннего подхода на основе спектроскопии ЯМР для поиска возможных путей модернизации активного фармацевтического ингредиента с целью нивелирования побочных эффектов лекарственных форм, который сможет обеспечить понимание их характеристик структуры в различных средах, а также особенностей взаимодействия малых молекул лекарственных соединений с фосфолипидными мембранами. В проекте рассматривается проблема, которая имеет значение как для фундаментальных, так и прикладных исследований. Фундаментальное значение обусловлено тем, что взаимодействие лекарственных соединений с липидной мембраной влияет на структурно-динамические характеристики исследуемых систем (пространственная структура, параметры порядка, распределение вероятности контакта внутри бислоя, конформация молекулы липидной цепи). Особое внимание следует уделить исследованию не только пространственной структуры, но и взаимодействию с мембраной на молекулярном уровне, что представляет высокую актуальность и новизну в соответствии с мировым уровнем.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетный период было проведено исследование структуры системы бикалутамида с модельной липидной мембраной POPC-d31 с использованием методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Применены одномерные (1H, 2H и 31P) и двумерные спектры, включая 1H-1H NOESY. Для 1H MAS ЯМР были определены химические сдвиги атомов водорода в липиде POPC, а также в циклических фрагментах молекул бикалутамида.
Данные 31P ЯМР подтвердили жидкокристаллическое фазовое состояние мембраны как в присутствии, так и в отсутствии бикалутамида. Внедрение молекул бикалутамида не изменило анизотропию химического сдвига, что указывает на сохранение ориентации головной группы липида. Анализ 2H ЯМР показал незначительный рост порядка в области С2-С5 липидных цепей и снижение порядка в области С9-С15, что согласуется с расчетами моделью на основе машинного обучения (G2R). Данные о длине цепи POPC-d31 остались неизменными в присутствии бикалутамида, что подтверждает сохранение толщины бислоя. Полученные данные использовались для приблизительной оценки локализации молекул бикалутамида в липидном бислое, что показало, что вероятно фторбензольный фрагмент может локализоваться у головной группы липидной цепи, а цикл с трифторметильной группой — скорее всего ближе к хвостовой части.
В исследовании структуры молекулы бикалутамида в средах CDCl3 и DMSO-d6 использовались одно- и двухмерные методы ЯМР, включая 13C, 1H-13C HSQC, 1H-13C HMBC и 1H-1H TOCSY. Результаты показали влияние растворителя на химические сдвиги сигналов молекулы, а также разделение сигналов CH2 группы, что может указывать на наличие двух энантиомеров. Анализ спин-спиновых взаимодействий подтвердил правильность отнесения резонансных сигналов, а снижение значений констант спин-спинового взаимодействия при переходе от DMSO-d6 к CDCl3 свидетельствует об изменении молекулярной геометрии.
Квантово-химические расчеты показали, что конформационная лабильность молекулы бикалутамида обусловлена поворотом двух циклических фрагментов — бензонитрила с трифторометильной группой и фторбензола. Энергия разницы между конформерами BCL-1 и BCL-2 в газовой фазе составила 1,35 кДж/моль, что указывает на их равновероятную реализацию. ЯМР-анализ показал, что в CDCl3 преобладает один тип конформеров, а в DMSO-d6 — другой. Применение метода NOESY позволило выделить две группы конформеров — "открытые" и "закрытые", где в CDCl3 преобладают "закрытые" конформеры (77.3%), а в DMSO-d6 — "открытые" (59.8%).
Результаты исследования углубляют понимание пространственного строения молекул активных фармацевтических ингредиентов в органических средах и их взаимодействия с модельными липидными мембранами. Они имеют важное значение для дальнейших исследований, направленных на изучение поведения активных фармацевтических ингредиентов в различных растворителях и при взаимодействии с липидными мембранами, а также для разработки модифицированных форм лекарств. Полученные данные будут использованы для дальнейшего анализа межъядерных расстояний и вероятности контакта с молекулами липидов.
В результате исследования было установлено, что молекулы бикалутамида не только встраиваются в липидную мембрану преимущественно в определенном положении, но и, вероятно, несколько стабилизируют ее структуру, не вызывая разрушения или значительных изменений в ее физико-химических свойствах. При этом, в зависимости от положения молекулы в липидном бислое (в области головной полярной группы или липидной цепи), она вероятно способна изменять свою конформацию, аналогично тому, как она реагирует на полярность окружающей среды органических растворителей.
По результатам работы была опубликована статья в научном журнале International Journal of Molecular Sciences (Q1). Также результатом является успешная защита диссертационной работы Беловым Константином Васильевичем на соискание степени кандидата химических наук в ИХР РАН, а также защита выпускной работы магистра химии Соборновой Валентины Владиславовны в ИГХТУ, что подтверждает вклад участников в развитие методов, примененных в проекте.
Работа коллектива отражена на сайтах:
https://new.ras.ru/activities/news/prostranstvennaya-struktura-bikalutamida-stanet-klyuchom-k-uluchsheniyu-protivorakovoy-terapii/
https://colab.ws/labs/453
https://vk.com/fluid_state_nmr
https://t.me/fluid_state_NMR
Публикации
1. Ходов И.А. Investigating structural modifications in model lipid membranes with drugs via MAS NMR spectroscopy XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, July 1-5, 2024 Ivanovo, Russia. BOOK OF ABSTRACTS – 376 p., XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, Ivanovo, July 1-5, 2024, P. 141 (год публикации - 2024)
2.
Соборнова В.В., Белов К.В., Крестьянинов М.А., Ходов И.А.
Influence of Solvent Polarity on the Conformer Ratio of Bicalutamide in Saturated Solutions: Insights from NOESY NMR Analysis and Quantum-Chemical Calculations
International Journal of Molecular Sciences, MDPI, Basel, Switzerland, номер 25, том 15, страницы 1-25 (8254) (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25158254
3. Ходов И.А., Белов К.В. Лекарственные соединения на границе раздела фаз липид-вода: исследование структуры молекул и межмолекулярных взаимодействий методами ЯМР ХХVII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием): тезисы докладов (Нижний Новгород, 16–18 апреля 2024 г.). Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2024. – 741 с., ХХVII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), г. Нижний Новгород, 16-18 апреля 2024 г., С. 581 (год публикации - 2024)
4. Мололина А.А., Белов К.В., Ходов И.А. Elucidation of bicalutamide conformers in DMSO-d6: a combined NMR and computational study XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, July 1-5, 2024 Ivanovo, Russia. BOOK OF ABSTRACTS – 376 p., XXIV International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, Ivanovo, July 1-5, 2024, P. 279 (год публикации - 2024)