ИСТИНА

Платиносодержащие противоопухолевые средства являются представляют собой эффективные противоопухолевые препараты, используемые в 50% всех клинически применяемых химиотерапевтических схем. [Dalton Trans., 2010, 39, 8113-8127] Однако, координационные соединения Pt(II) легко подвергаются неселективному лигандному замещению на пути к месту опухоли, при этом, примерно 90% от введенного цисплатина дезактивируется в кровотоке за счет необратимого связывания с альбумином и другими белками плазмы, и всего лишь 1% (или меньше) связывается с намеченной мишенью, ядерной ДНК, что приводит к быстро возникающей лекарственной резистентности и тяжелым побочным эффектам от терапии. [Anti-Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 3– 18] Одна из стратегий преодоления широко известных недостатков препаратов на основе Pt(II) заключается в использовании комплексов Pt(IV) в качестве пролекарств. Комплексы Pt(IV) имеют низкоспиновую октаэдрическую геометрию d6, и обладают потенциалом для преодоления многих проблем, связанных с платиносодержащими химиотерапевтическими средствами. [J. Med. Chem., 2007, 50, 3403–3411]. Однако, большинство разработанных пролекарств Pt(IV) быстро восстанавливается в сыворотке крови, и активность большинства пролекарств Pt(IV) почти полностью снижается во внеклеточной среде, и их потенциальные преимущества перед препаратами Pt(II) теряются [Cancer Res., 1990, 50, 4539–4545] Для разработки эффективных пролекарств Pt(IV), помимо продуманного дизайна, обеспечивающего высокое внутриклеточное проникновение препарата и его эффективность in vitro, требуется проведение экспериментов, показывающих реальный метаболизм препарата в клетке, сыворотке крови и живой системе. Также, как при использовании препаратов Pt(II), так и при использовании пролекарств Pt(IV) проблема общей токсичности препаратов ввиду низкой селективности к здоровым тканям остается на первом месте; в настоящий момент, актуальной задачей является разработка физико-химических средств контролируемого высвобождения препаратов в зоне злокачественного новообразования, не затрагивающего здоровые ткани. В настоящем проекте предложено решение проблемы низкой селективности платиновых препаратов, заключающееся в контролируемом высвобождении препаратов Pt(II) из пролекарств Pt(IV) под внешним физико-химическим воздействием. Суть подхода заключается в том, что в координационное окружение Pt(IV) вводят фотопоглотитель, способный под действием света переносить электроны к центру Pt(IV), тем самым ускоряя восстановление пролекарств Pt(IV) и высвобождение цитотоксических метаболитов Pt(II). Кроме того, введение фотоактивных веществ в координационное окружение Pt(IV) позволит сочетать в одном препарате как пролекарство Pt(IV), способное контролируемое высвобождать активный метаболит Pt(II) при облучении, так и фотосенсибилизатор – агент для фотодинамической терапии. Сочетание в одном препарате контролируемо высвобождаемого пролекарства Pt(IV) и агента для фотодинамической терапии представляет собой инновационных подход; дизайн и синтез предложенных пролекарств позволяет решить как проблему низкой селективности платиновой терапии, так и клеточной резистентности. Одним из ключевых ограничений применения фотодинамической терапии является ее низкая эффективность в гипоксичных условиях. Для решения проблемы низкой эффективности ФДТ в условиях гипоксии, в настоящем проекте впервые предложена разработка несимметричных коньюгатов Pt(IV), содержащие как фотосенсибилизирующие, так и кислородмиметические фрагменты в составе одной молекулы. Таким образом, в аэробных условиях препараты будут работать и как химиотерапевтические, и ФДТ агенты; в то время как в условиях гипоксии по-прежнему будут высвобождать цитотоксический агент под действием возбуждающего излучения. Контролируемое высвобождение пролекарств Pt(IV) подход позволит снизить цисплатин-резистентность опухолевых клеток, а также увеличить значительно селективность терапии к опухолевым клеткам. Кроме того, увеличение липофильности препаратов Pt(IV) по сравнению с исходными препаратами Pt(II) позволит значительно увеличить внутриклеточное проникновение химиотрапевтических средств, тем самым, увеличивая их эффективность, снижая побочные эффекты вследствие снижения эффективной дозы. При лечении глубоко расположенных опухолей фотосенсибилизатор должен поглощать свет в фототерапевтическом окне от 750 до 900 нм. Эти длины волн эффективно проникают в ткани, и обеспечивают эффективную передачу энергии от триплетного возбужденного состояния фотосенсибилизатора к молекулярному кислороду в основном состоянии. [J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2695–2702]. В настоящем проекте предложен дизайн пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, поглощающих в околокрасной области >600нм. Данных подход позволит получить препараты, пригодные для терапии глубоколежащих опухолей. Таким образом, настоящий проект посвящен разработке фотоактивируемых пролекарств Pt(IV), способных под действием света высвобождать цитотоксические препараты Pt(II). Разрабатываемые в настоящем проекте препараты представляют собой фотохимиотерапевтические агенты, способные под действием возбуждающего излучения катализировать как выход цитотоксического агента из состава пролекарства, так и генерировать активные формы кислорода вследствие взаимодействия триплетных состояний фотопоглотителей с молекулярным кислородом.

Platinum-containing anticancer agents are effective anticancer drugs used in 50% of all clinically used chemotherapy regimens. [Dalton Trans., 2010, 39, 8113-8127] However, Pt(II) coordination compounds easily undergo non-selective ligand substitution on the way to the tumor site, while approximately 90% of the administered cisplatin is deactivated in the bloodstream due to irreversible binding to albumin and other plasma proteins, and as little as 1% (or less) binds to its intended target, nuclear DNA, leading to rapidly emerging drug resistance and severe side effects from therapy. [Anti-Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 3–18] One strategy to overcome the well-known shortcomings of Pt(II) based drugs is to use Pt(IV) complexes as prodrugs. The Pt(IV) complexes have a low spin d6 octahedral geometry and have the potential to overcome many of the problems associated with platinum-containing chemotherapeutic agents. [J. Med. Chem., 2007, 50, 3403–3411]. However, most of the developed Pt(IV) prodrugs are rapidly reduced in serum, and the activity of most Pt(IV) prodrugs is almost completely reduced in the extracellular environment, and their potential advantages over Pt(II) drugs are lost [Cancer Res., 1990, 50, 4539–4545] To develop effective Pt(IV) prodrugs, in addition to a well-thought-out design that ensures high intracellular penetration of the drug and its effectiveness in vitro, experiments are required to show the actual metabolism of the drug in the cell, blood serum, and living system. Also, both when using Pt(II) preparations, and when using Pt(IV) prodrugs, the problem of the general toxicity of drugs due to low selectivity to healthy tissues remains in the first place; At the moment, an urgent task is to develop physical and chemical means of controlled release of drugs in the area of ​​a malignant neoplasm that does not affect healthy tissues. In the present project, a solution to the problem of low selectivity of platinum drugs is proposed, which consists in the controlled release of Pt(II) drugs from Pt(IV) prodrugs under external physicochemical influence. The essence of the approach is that a photoabsorber is introduced into the Pt(IV) coordination environment, which is capable of transferring electrons to the Pt(IV) center under the action of light, thereby accelerating the reduction of Pt(IV) prodrugs and the release of cytotoxic Pt(II) metabolites. In addition, the introduction of photoactive substances into the Pt(IV) coordination environment will make it possible to combine in one preparation both a Pt(IV) prodrug capable of controlled release of the active Pt(II) metabolite upon irradiation, and a photosensitizer agent for photodynamic therapy. The combination in one formulation of a controlled-release Pt(IV) prodrug and a photodynamic therapy agent represents an innovative approach; The design and synthesis of the proposed prodrugs makes it possible to solve both the problem of low selectivity of platinum therapy and cell resistance. One of the key limitations of the use of photodynamic therapy is its low efficiency in hypoxic conditions. To solve the problem of low efficiency of PDT under hypoxic conditions, in this project, for the first time, we proposed the development of asymmetric Pt(IV) conjugates containing both photosensitizing and oxygen mimetic fragments in one molecule. Thus, under aerobic conditions, drugs will work as both chemotherapeutic and PDT agents; while under hypoxic conditions, they will still release the cytotoxic agent under the action of excitatory radiation. The controlled release of Pt(IV) prodrugs will reduce the cisplatin resistance of tumor cells, as well as significantly increase the selectivity of therapy for tumor cells. In addition, an increase in the lipophilicity of Pt(IV) preparations compared to the original Pt(II) preparations will significantly increase the intracellular penetration of chemotherapeutic agents, thereby increasing their effectiveness, reducing side effects due to a decrease in the effective dose. When treating deep-seated tumors, the photosensitizer must absorb light in the phototherapy window of 750 to 900 nm. These wavelengths effectively penetrate tissues, and provide efficient energy transfer from the triplet excited state of the photosensitizer to molecular oxygen in the ground state. [J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2695–2702]. In this project, we propose the design of Pt(IV) prodrugs containing photoabsorbers as axial ligands that absorb >600 nm in the near-red region. This approach will make it possible to obtain drugs suitable for the treatment of deep-lying tumors. Thus, this project is devoted to the development of photoactivated Pt(IV) prodrugs capable of releasing cytotoxin under the action of light.

В настоящем проекте предложен дизайн, синтез, физико-химическое и биологическое исследование новых пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, способные при облучении катализировать восстановление пролекарств Pt(IV) в Pt(II). Результатом выполнения проекта ожидается получение фотоактивных пролекарств Pt(IV), способных контролируемо высвобождать цисплатин под действием возбуждающего излучения, и оказывать дополнительный цитотоксический эффект путем генерации АФК в месте локального облучения. Предложенный подход к дизайну контролируемо высвобождаемых лекарственных средств из пролекарств Pt(IV) является перспективным, полученные пролекарства Pt(IV) будут нетоксичны к здоровым тканям, стабильны в физиологических условиях, при этом, под действием внешнего локального облучения в месте злокачественного новообразования, будут высвобождать цитотоксический агент в сочетании с фотосенсибилизатором; применение предложенных лекарственных средств обеспечит локальное контролируемое действие как цитотоксического агента, так и фотодинамической терапии. Ожидается, что разработанные в ходе настоящего проекта фотоактивные пролекарства будут значительно превосходить в терапевтической эффективности используемый в клинической практике цисплатин. Предложенный в настоящем проекте подход, заключающийся в контролируемой фотоактивации нетоксичных пролекарств позволит свести к минимуму тяжелые побочные эффекты химиотерапии, значительно снизить воздействие химиотерапии на здоровые ткани, обеспечить локальное высвобождение цитотоксического агента в месте облучения. Варьирование природы фотосенсибилизатора и длины волны возбуждающего излучения, его проникающей способности позволит применять разработанные в ходе выполнения проекта препараты как для терапии как поверхностных злокачественных новообразований, так и полостных опухолей. В настоящем проекте будут разработаны пролекарства Pt (IV) с фотоактивными лигандами, поглощающих в «окне оптической прозрачности» биологических тканей от 650 до 850 нм. В настоящий момент, в литературе описан лишь 1 пример пролекарства Pt(IV) с фотоактивным лигандом, попадающим в вышеуказанную область. В ходе проекта будут выполнены работы от синтеза коньюгатов до испытания их фотохимитерапевтической эффективности in vivo. Настоящий проект представляет собой полноценное исследование по разработке химиотерапевтического агента с контролируемым высвобождением; ожидаемые результаты являются перспективными для медицинской химии и онкологии.

Коллектив проекта имеет существенный научный задел в области органической , медицинской химии и фотохимии. Коллектив имеет многолетний опыт разработки лекарственных препаратов от молекулярного дизайна до исследований in vivo [Krasnovskaya et al. Journal of Medicinal Chemistry 2020, 63, 21, 13031-13063] и доклинических исследований [Journal of Medicinal Chemistry 2014, 57 (14), pp 6252–6258]. Коллектив проекта имеет опыт разработки биологически активных пролекарств Pt(IV), изучения их противопухолевого действия и внутриклеточного метаболизма. [Krasnovskaya et al. Dalton Trans., 2021,50, 7922-7927] [Spector et al. Int J Mol Sci. 2021 Apr 7;22(8):3817] Коллектив проекта опыт исследования сложных фотохимических процессов с участием органических красителей и биомакромолекул. [Dyes and Pigments, Volume 195, November 2021, 109675] [Dyes and Pigments Volume 191, July 2021, 109354] Коллектив проекта имеет опыт электрохимической детекции активных форм кислорода с использованием платинизированного наноэлетрода in vitro И In vivo [Anal. Chem. 2020, 92, 12, 8010–8014. Также, лаборатория оборудована для изучения фотоиндуцированных процессов в клетках, опухолевых моделях – сфероидах, и in vivo. Ранее, в лаборатории проводилась детекция фотоиндуцированного высвобождения активных форм кислорода флавинмононуклеотидом в опухолевых моделях-сфероидах и in vivo [Scientific Reports volume 9, Article number: 9679 (2019)] Коллектив проекта имеет опыт совместной работы и реализации сложных научных задач. Ранее коллективном проекта были успешно разработаны фотоактивные пролекарства Pt(IV) с аксиальными лигандами, представляющих собой производные рибофлавина. Было проведено полное физико-химическое исследование, изучены механизмы фотовосстановления пролекарств, доказана их эффективность и способность к фотоиндуцированному фотовосстановлению в живых системах. По результатам работы заявлен патент на противоопухолевое средство с контролируемым фотовысвобождением.

Проект посвящен разработке пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, способные при облучении катализировать восстановление пролекарств Pt(IV) в Pt(II) с высвобждением цитотоксического агента (цисплатина). В задачи проекта входили дизайн, синтез, физико-химическое, биологическое и исследования терапевтического действия in vivo фотоактивируемых пролекарств Pt(IV) с лигандами—фотопоглотителями на основе рибофлавина (витамина B2), производных борон-дипиррометенов (Bodipy), и цианиновых красителей, в том числе обладающих ФДТ активностью; исследование механизма фотоиндуцированного высвобождения цисплатина, определение структурных факторов, влияющих на стабильность и эффективность пролекарств. В ходе выполнения проекта впервые предложены дизайн и синтез пролекарств, содержащих в качестве аксиального лиганда Рибофлавин, витамин В2. Было получено 4 пролекарства Pt(IV) с рибофлавином в аксиальном положении. Коньюгат цисплатина с Рибофлавином, названный Рибоплатин, был выбран для подробного изучения механизма фотовосстановления и биологического действия. Изучение механизма фотовысвобождения цисплатина из пролекарства показало участие триплетного состояния в фотопереносе, и образование флавосемтхинонового радикала в качетве индемедиата. Показано, что Рибоплатин является агентом фотоактивируемой химиотерапии и фотодинамической терапии, обладает высокой фоточувствительностью, оказывая контролируемый цитотоксический эффект при световой дозе 0.12 Дж/см2, что является инновационным результатом, аналогов которому не описано среди разработанных к настоящему моменту светочувствительных пролекарств Pt(IV). Также, было предложено вводить в аксиальное положение Рибоплатина дополнительные фармакофоры, для повышения устойчивости пролекарств, увеличения их светового отклика и придания дополнительной к химиотерапевтической биологической активности. В ходе выполнения проекта решались синтетические задачи по поиску подходов получению производных ранее не описанных BODIPY, содержащих чувствительные к гипоксии фрагменты 2-нитроимидазола и аза-ароматические фрагменты, и пролекарств Pt(IV) на их основе, получению пролекарств Pt(IV) с конденсированными ВОDIPY в аксиальном положении, а также разработке синтетических подходов к получению пролекарств Pt(IV) на основе цианиновых красителей и BODIPY, содержащие тяжелые атомы брома. Было впервые предложено использование Click реакцию в условиях, не затрагивающей легко восстанавливающийся центр Pt(IV, что открыло путь к синтезу фотоактивируемых пролекарств Pt(IV)-BODIPY, обладающие ФДТ активностью, содержащие тяжелые атомы брома в положениях 2,6 BODIPY. Были разработаны пролекарства Pt(IV) с флуороформами BODIPY в аксиальном положении, поглощающие в синей, зеленой и красной областях спектра; подробно исследован механизма фотовысвобождения цитотоксических агентов из пролекарст; установлены структурные факторы, определяющие скорость и механизм фотовосстановления прлекарств. Доказано, что все разработанные пролекарства являются стабильными в отсутствии облучения; отсутствие возможности прямого переноса электрона из состояния S1 на центра Pt(IV) было подтверждено DFT-расчетами, что подтверждает фотостабильность пролекарств и их перспективность. Все разработанные в ходе выполнения проекта пролекарства показали дозозависимую фототоксичность;. полученные индексы фототоксичности сравнимы с литературными аналогами. Для лигадов и пролекарств, содержащих тяжелые атомы брома, показана значительная ФДТ-активность в дополнение к химиотерапевтическому действию. Отдельно стоит отметить чрезвычайно высокую ФДТ-активность разработанных в проекте активируемых зеленым светом лигадов BODIPY и прлекарств Pt(IV) на их основе, которые продемонстрировали световой отклик >1300 и наномолярную эффективность в условиях мягкого облучения (1 Дж/см2), что является одним из самых индексов фототоксичности высоких для ФДТ-агентов на основе BODIPY. Разработанное активируемое зеленым светом пролекарство Pt(IV) является третьим среди описанных по величине светового отклика . Важнейшим результатом выполнения проекта стала разработка фотоактивируемых наночастиц на основе пролекарств Pt(IV), способных к контролируемому фотовысвобождению цисплатина, а также показавших значительную фототермальную эффективность in vitro и in vivo. Впервые было показано фотовысвобождение цисплатина из разработанных наночастиц на основе фотоактивируемых пролекарств Pt(IV) под действием красного света; Исследование фототермальной эффективности in vitro показало фототермальную эффективность 42%. Также, разработанные наночастицы показали способность действовать как ФДТ-агенты Типа I. Исследование фототермальной эффективности in vivo на животных моделях с привитыми опухолями СT-26 продемонстрировало разогрев опухоли до 49°С после внутриопухолевого введения наночастиц, а также способность наночастиц к фототермальной и фототермической визуализации опухолей после внутривенного введения вследствие высокого накопления наночастиц в опухолевой ткани и длительной циркуляции в кровотоке. Важнейшей частью проекта было исследование терапевтической эффективности и биораспределения in vivo разработанных пролекарств. Исследования максимально переносимой дозы разработанный на первом этапе выполнения проекта препарат Рибоплатина показали хорошую переносимость Рибоплатина и отсутствие токсичности вплоть до 32 мг/кг. При внутривенном введении Рибоплатин способен накапливаться в опухолях EMT-6 и SK-BR-3, что было подтвержждено флуоресцентной визуализацией и ICP-MS оценкой уровня платины в тканях опухоли. Исследование на мышах с ксенографтной опухолью SK-BR-3 показало, что Рибоплатин активно накапливается в опухоли, но не в лёгких и сердце мышей BALB/C nude, и таким образом превосходит ранее опубликованные пролекарства Pt(IV). Предварительное исследование терапевтической эффективности Рибоплатина показало схожую эффективность по сравнению с цисплатином; так, Рибоплатин показал торможение роста опухолей наравне с цисплатином при выживаемости группы 100%, в то время как в группе цисплатина при терапии той же дозой пали три из шести мышей. Сравнение потери массы тела дозы 7.5 мг/кг цисплатина и Рибоплатина показало потери в массах 17% у цисплатина и 8% у Рибоплатина, что свидетельствует о значительно меньшей токсичности Рибоплатина по сравнению с цисплатином, что подтверждает релевантность создания пролекарств Pt(IV) как более безопасных аналогов клинически используемой химиотерапии. В ходе проекта выполнены работы от дизайна коньюгатов, синтеза и исследования механизма фотовысвобождения до испытания их терапевтической эффективности in vivo. Результатом выполнения проекта стала разработка высокоэффективных фотоактивируемых пролекарств поглощающий в разной области спектра, способных к фотоактивируемому высвобождению цисплатина, обладающих ФДТ активностью и являющихся более эффективными и безопасными аналогами клинически применяемого цисплатина. Полученные результаты являются перспективными для медицинской химии и онкологии. В результате реализации проекта опубликовано 9 статей, 6 из которых входят в ядро Q1.