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 19-13-00235

НазваниеПространственно затруднённые нитроксильные радикалы. Синтез и применение

РуководительГригорьев Игорь Алексеевич, Доктор 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

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

Конкурс№35 - Конкурс 2019 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 слованитроксильные радикалы, спиновые метки, магнитно-резонансная томография (МРТ), антиоксиданты, активные формы кислорода (АФК), СОД-миметики, нитроны, контрастирующие агенты, ESSEM, PELDOR

Код ГРНТИ31.21.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Нитроксильные радикалы – наиболее распространённый класс стабильных органических радикалов, нашедший множество применений в различных областях науки и техники. Важнейшей областью применения этих соединений в биологии является метод спиновых меток, в котором маленькие парамагнитные молекулы нитроксильных радикалов используются для исследования строения и свойств сложных молекулярных систем и механизмов жизненно-важных биохимических процессов. Благодаря развитию технологий ЭПР и технологий направленного введения спиновой метки в биомолекулы, этот метод стал всё чаще применяться, например, для исследования строения некристаллизующихся белков и их комплексов. Эта уникальная информация позволяет учёным приблизиться к пониманию того, как функционируют биомолекулы. Другие биологические применения нитроксильных радикалов связаны с их способностью вступать в окислительно-восстановительные реакции с некоторыми компонентами живых систем, например, с природными антиоксидантами или со свободными короткоживущими радикалами и активными метаболитами кислорода (АФК), определяющими окислительно-восстановительный баланс (статус). Нарушение последнего (окислительный стресс) связывают с возникновением и развитием различных заболеваний. Использование нитроксильных радикалов в качестве контрастирующих агентов или молекулярных зондов в ЯМР- или ЭПР-томографических исследованиях позволяет визуализировать ткани с аномальным окислительно-восстановительным статусом (опухоли, воспаления, области с нарушенным кровообращением). С другой стороны, способность нитроксильных радикалов активно реагировать со свободными радикалами и др. АФК давно пытаются использовать для борьбы с окислительным стрессом и связанными с ним заболеваниями. Развитию всех указанных выше областей применения мешает слишком быстрое химическое восстановление нитроксильных радикалов аскорбиновой кислотой и ферментативными системами живых клеток. Наиболее эффективным способом преодоления этого недостатка является введение нескольких объёмных (бóльших, чем метильная группа) заместителей в окружение нитроксильной группы. Показано, что такая модификация существенным образом увеличивает устойчивость нитроксильных радикалов к действию биогенных антиоксидантов. Известные на сегодняшний день методы синтеза таких пространственно затруднённых нитроксильных радикалов сложны и трудоёмки, что является главным фактором, ограничивающим их применение. Проект направлен на разработку новых удобных методов синтеза пространственно затруднённых нитроксильных радикалов и создание на их основе устойчивых к восстановлению спиновых меток и зондов, эффективных контрастирующих агентов для МРТ и медицинских препаратов. Для синтеза пространственно затруднённых нитроксильных радикалов пирролидинового ряда, обладающих наиболее высокой устойчивостью к восстановлению, авторы намерены использовать недавно разработанный ими новый удобный и легко масштабируемый метод синтеза, основанный на одностадийном построении замещённых пирролидинов через трёхкомпонентный домино процесс с участием аминокислот, кетонов и активированных алкенов. Авторы полагают, что, наряду с их другими оригинальными разработками, этот метод сделает новые нитроксильные радикалы легкодоступными соединениями и откроет путь к их широкому применению. Новые радикалы авторы предлагают использовать для синтеза высокоустойчивых спиновых меток и зондов, пригодных для проведения исследований непосредственно внутри живых клеток. Они также позволят получить специфически ориентированные гидроксиламиновые спиновые зонды для исследования внутриклеточных процессов с участием свободных радикалов. Другое направление исследований будет направлено на синтез многоспиновых макромолекулярных контрастирующих агентов для МРТ на основе спин-меченных биополимеров, например, декстрана и альбумина или на других наноразмерных носителях. В этой работе будет использован новый разработанный участниками проекта метод селективного ацилирования человеческого сывороточного альбумина по нескольким остаткам лизина с помощью предварительно модифицированного по аминогруппе тиолактона гомоцистеина. Известно, что модифицированные альбумины накапливаются в опухолях, и эту особенность можно использовать для их визуализации. Авторы полагают, что устойчивые в живых системах нитроксильные радикалы будут более эффективными антиоксидантами, поскольку скорость их взаимодействия с восстановителями в составе клетки резко уменьшится, а скорость реакции с супероксидным радикалом и другими активными формами кислорода не претерпит больших изменений. Авторы намерены синтезировать производные пространственно затруднённых нитроксильных радикалов, способные селективно накапливаться в митохондриях, которые являются основным источником супероксидного радикала в эукариотических клетках. Будет исследована биологическая активность полученных радикалов на моделях заболеваний, связанных с окислительным стрессом, а также возможность применения соответствующих гидроксиламинов и ацетоксиаминов для исследования внутриклеточных процессов с участием свободных радикалов и других активных метаболитов кислорода (АФК). Авторы полагают, что успешное осуществление проекта придаст новый импульс развитию современных методов исследования биологических систем, будет способствовать появлению эффективных методов диагностики и терапии социально значимых заболеваний.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта: 1. Будут разработаны новые удобные методы синтеза пространственно затруднённых нитроксильных радикалов, отличающихся высокой устойчивостью к восстановлению. 2. Будет синтезирован набор новых спиновых меток с высокими временами жизни внутри клеток, пригодных для исследования структуры и функций биомолекул непосредственно во внутриклеточном пространстве. 3. На основе устойчивых к восстановлению нитроксильных радикалов будут синтезированы гидроксиламиновые спиновые зонды, специфично накапливающиеся внутри клеток и в митохондриях для измерения внутриклеточных АФК. 4. Будут синтезированы новые контрастирующие агенты, не содержащие тяжёлых металлов, и исследованы их функциональные свойства. 5. Будут синтезированы митохондриально-направленные антиоксиданты на базе пространственно затруднённых нитроксильных радикалов и исследована их биологическая активность на моделях некоторых заболеваний. Проблема недостаточной устойчивости нитроксильных радикалов в живых системах была обозначена около полувека назад и с тех пор различные группы исследователей разными способами пытались её решить. Наиболее выдающиеся результаты на этом пути достигнуты недавно с помощью 2,2,5,5-тетраэтил-замещённых нитроксильных радикалов пирролидинового и пирролинового рядов. Показано, что они превосходят по устойчивости все известные органические свободные радикалы, в том числе триарилметильные (тритильные, ТАМ). Однако сложность известных методов синтеза препятствует широкому применению этих радикалов. Найденный авторами метод синтеза аналогичных соединений намного проще и производительнее, при этом получающиеся радикалы не уступают по устойчивости описанным в литературе или превосходят их. Предварительные эксперименты показали, что они пригодны для получения функциональных производных - спиновых меток и зондов. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что предложенный метод позволит решить перечисленные выше задачи 2-5, которые отвечают наболевшим запросам биофизиков, биологов и медиков, причём эти решения не потребуют больших трудовых и материальных затрат. Более того, не вызывает сомнения, что такие радикалы найдут применение и в других областях, таких, например, как химия полимеров, где поиски экономичных путей синтеза пространственно затруднённых радикалов продолжаются. Значение новых спиновых меток для структурной биологии и биофизики трудно переоценить. Количество публикуемых работ по применению технологий направленного введения спиновых меток для исследования структуры биомолекул и их комплексов растёт из года в год. Более того, высказываются мнения, что именно успехи в синтезе новых спиновых меток будут основной движущей силой прогресса в этой области, поскольку развитие физических методов и методов молекулярной биологии в последние годы шло опережающими темпами. Синтез устойчивых к восстановлению аналогов классических спиновых меток откроет новые горизонты для развития метода спиновых меток, позволит проникнуть внутрь живой работающей клетки и исследовать протекающие там процессы. Это давняя мечта биофизиков, и в настоящее время человечество, наконец, подходит к её осуществлению. Гидроксиламиновые спиновые зонды используются для изучения роли свободных радикалов в живых системах. Область применения гидроксиламиновых спиновых зондов быстро расширяется в последние годы в виду простоты и эффективности метода. Одна из нерешённых проблем метода - измерение митохондриальной продукции АФК в тканях живых организмов. Нарушение функций митохондрий связывают с развитием окислительного стресса и различных патологических состояний. Использование в таких исследованиях гидроксиламинов - производных тетраметильных нитроксильных радикалов неэффективно из-за очень быстрого восстановления образующихся радикалов. Решить проблему помог бы синтез селективно накапливающихся в митохондриях гидроксиламинов - производных, устойчивых к восстановлению нитроксильных радикалов. Важной особенностью проводимых исследований является то, что разрабатываемые средства диагностики являются дополнением к обычным методам МРТ и в случае успеха не потребуют разработки новой дорогостоящей аппаратуры. Исследования по созданию органических нано-размерных контрастов активно развиваются в течение последних пяти лет, но в них используются в качестве базовых нитроксильных фрагментов спиро-циклогексановые производные, устойчивость которых гораздо ниже тетраэтильных аналогов. Поэтому для повышения устойчивости радикалы встраивают в сложные полимерные матрицы, ограничивающие доступ восстановителей к нитроксильным фрагментам. Авторы полагают, что использование новых нитроксильных радикалов позволит упростить строение нано-размерных контрастов и увеличить времена их жизни. При этом, отсутствие необходимости погружать нитроксильные радикалы в полимерную матрицу будет способствовать улучшению спинового обмена с молекулами воды, что в свою очередь приведет к увеличению релаксивности. Биологическая активность, которую авторы ожидают от новых соединений, касается наиболее распространённых и социально значимых заболеваний – сердечно-сосудистых, онкологических и нейродегенеративных. Несмотря на то, что исследования биологической активности нитроксильных радикалов ведутся давно, интерес к ним не иссяк и постоянно подогревается новыми публикациями и патентами. Важным преимуществом новых нитроксильных радикалов является их низкая окислительная активность - в отличие от тетраметильных аналогов, они не будут взаимодействовать с естественной антиоксидантной системой живых тканей и поэтому смогут в полной мере проявить свои защитные свойства. Даже при самом неблагоприятном исходе, полученная в ходе этих исследований информация поможет в разработке новых методов терапии. Таким образом, ожидаемые в рамках этого проекта результаты соответствуют мировому уровню или превосходят его.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---