ИСТИНА

Цель проекта – разработка подходов к получению новых фотосенсибилизаторов введением в молекулу тетра и трипиррольных соединений – порфиразинов и субпорфиразинов гетероароматических фрагментов, обладающих выраженными флуоресцентными свойствами, при этом гетероатомы являются дополнительными сайтами проведения структурных модификаций, необходимых в том числе для кватернизации и получения солюбилизированных форм новых фотосенсибилизаторов.

Photodynamic therapy of oncological diseases has found wide application as an alternative to chemotherapy. The main advantages of photodynamic therapy are non-invasiveness and lack of resistance to the drugs used. The main active substance in photodynamic therapy is active oxygen, which is produced in the presence of substances - photosensitizers and targets such targets as the walls of blood vessels of tumor cells, the plasma membrane and intracellular structures. The relevance of obtaining new photosensitizers and their solubilized forms is due to the fact that photosensitizers, which are currently used for photodynamic therapy of oncological diseases, with simultaneous fluorescent imaging of tumors, have a number of disadvantages - this is a low intensity of radiation absorption in the range of the highest transparency of biological tissues and a high tendency to aggregation in aqueous solutions. The objectives of this Project are to obtain water-soluble forms of new photosensitizers that are in the most disaggregated (monomerized) state and have intense absorption in the range of the “transparency window” of biological tissues. In addition, the resulting photosensitizers must have intense fluorescence in order to realize the possibility of tumor visualization. This Project provides for two approaches to achieve the stated goals. The first approach involves the use of synthetic organic chemistry and coordination chemistry methods to modify the structures of photosensitizers in order to improve their properties. The modification will be carried out by introducing heterocyclic fragments: pyrazine, carbazole, and pyrido[1,2-a]benzimidazole. These molecules are distinguished by the presence of nitrogen atoms, on which structural changes can be easily carried out, namely alkylation and quaternization. In addition, carbazole and pyrido[1,2-a]benzimidazole are bright fluorophores, that is, the presence of these fragments in the molecule will increase the fluorescence quantum yield of the target molecules. Pyrazine fragments increase the resistance of photosensitizers to oxidation by oxygen. In order to solve the problem of aggregation, new heteroannelated boron subporphyrazines will be obtained, which, due to their non-planar, cone-shaped structure, practically do not aggregate in solution. Heteroannelation will help to eliminate the main drawback of these compounds - absorption in the range of 550-570 nm, which does not provide the required radiation penetration depth in many cases during a PDT session. The second approach involves the use of colloidal and medicinal chemistry methods to obtain truly monomeric molecules in aqueous solutions that are able to exhibit a photodynamic effect, and can also be selectively delivered to the tumor without undergoing early phagocytosis (which is possible due to the presence of large hydrophobic macrorings in the molecules). For this purpose, micellar solutions and microemulsions will be used. The use of microemulsions makes it possible to minimize the amount of surfactant used for solubilization. The novelty of the Project lies in the combination of the use of previously undescribed photosensitizers and previously unused solubilization techniques for these classes of compounds. For each photosensitizer, the Project provides for the following stages of research: (1) Synthesis, including preparation of starting dinitriles and identification; (2) Study of photochemical and fluorescent properties; (3) Selection of solubilization technique; (4) Study of cytotoxicity (dark and after irradiation). The result of the Project will be selected hit compounds that will show the greatest efficiency and can be further investigated in experiments to determine in vivo cytotoxicity.

В результате выполнения настоящего Проекта будут получены следующие практически значимые результаты: Будут разработаны подходы к созданию новых перспективных фотосенсибилизаторов, содержащих гетероароматические фрагменты, способных интенсивно поглощать в диапазоне наибольшей прозрачности биологических тканей (600-900 нм), что сделает их применимыми для лечения глубоко залегающих опухолей. Кроме того, за счет введения в молекулу новых фотосенсибилизаторов гетероциклов – мощных флуорофоров (карбазол, и пиридо[1,2-а]бензимидазол) планируется повысить выход флуоресценции целевых макроциклов для их использования в флуоресцентной визуализации опухоли. Для снижения агрегации и получения молекул, которые могут быть эффективны в тераностике (терапия+диагностика) онкологических заболеваний будет получена серия гетероаннелированных субпорфиразиновых комплексов бора – неплоских молекул, не склонных к агрегации. В результате выполнения Проекта будут не просто получены новые фотосенсибилизаторы, но и будут подобраны условия их солюбилизации – то есть получения форм, пригодных для дальнейшего изучения цитотоксичности как in vitro, так и in vivo. Включение молекул-фотосенсибилизаторов в «контейнеры»-переносчики (то есть мицеллы или капли микроэмульсии) будет способствовать не только достижению растворимости, но и увеличению селективности поступления фотосенсибилизатора в опухоль. В полном соответствии с мировым уровнем исследований в области медицинской химии будет осуществлен синтез новых соединений, наработаны экспериментальные образцы, проведено определение in vitro фотохимических характеристик полученных фотосенсибилизаторов с целью определения механизма действия и эффективности. Будет установлена корреляция между структурами гибридов и проявляемой активностью (SAR) и произведен отбор наиболее перспективных по своим показателям соединений и наиболее эффективных методик их солюбилизации.

Отработана методика синтеза ди- и тетрациано-карбазолов, а также получено несколько незамещенных по периферии макрокольца карбазол-аннелированных порифразинов [M.Belousov et al., Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2023, 10.1246/bcsj.20220319; Macroheterocycles, 2022, 15(2), 85-89]. Методом химической ловушки показано, что карбазол-аннелированные порфиразины способны генерировать синглетный кислород. Руководителем Проекта и основными исполнителями – Горбуновой Е.А. и Косовым А.Д. [E.A. Gorbunova, A.D. Kosov et al. Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry, 2022, 426, 113747] продемонстрирован фотодинамический эффект полилактидных мицелл, содержащих комплексы фталоцианинов. Исследование проводилось in vitro на примере клеточной линии HeLa. В качестве положительного контроля использовалась натриевая соль хлорина е6 (Се6). Соединение Се6 является водорастворимым производным хлорина е6, активного соединения нескольких высокоэффективных фотосенсибилизаторов (Фотодитазин, Фотолон), используемых в настоящее время в клинической практике. Соединение Ce6 показало умеренную темновую токсичность в клетках HeLa; его доза IC50 составляет 13.4 мкМ. Мицеллы с комплексами показали более выраженную темновую токсичность; их значения IC50 составили около 1.3-1.4 мкМ. Показано, что облучение светом (λ > 630 нм) без добавления исследуемых соединений не влияет на жизнеспособность клеток в текущих экспериментальных условиях. Соединение Ce6 обладает высокой фототоксичностью в клетках HeLa; его доза IC50 составляет 0.7 мкМ. Мицеллы с комплексом Cl8PcLuOAc показали значительно более эффективное фототоксическое действие – IC50 составила 0.22 мкМ. Мицеллы с комплексом Cl16PcLuOAc показали еще более эффективное фототоксическое действие (IC50 = 0.11 мкМ).