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 20-63-47058
НазваниеИонные жидкости как перспективные агенты в персонализированной медицине
РуководительСейткалиева Марина Максутовна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2020 г. - 2023 г. |
Конкурс№47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)».
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 словаионное соединение, ионная жидкость, органический синтез, возобновляемое сырье, электронная микроскопия, персонализированная медицина, противораковые препараты, цитотоксичность, апоптоз, клеточный цикл
Код ГРНТИ31.21.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Полная версия, включающая рисунки, приведена в файле с дополнительной информацией 1.
Персонализированная медицина представляет собой современный медицинский подход, который заключается в диагностике и подборе лечения на основании индивидуальных особенностей каждого конкретного пациента. В основе этого подхода лежит понимание молекулярных механизмов заболевания у данного пациента, которые, в частности, зависят от его генетических характеристик. Соответственно, знание о предрасположенности пациента к определенным нарушениям с известным молекулярным механизмом позволяет подобрать индивидуальную схему лечения с лекарственными препаратами, которые проявят наивысшую эффективность именно в конкретном случае. В первую очередь это касается раковых заболеваний, где схожая симптоматика часто может определяться совершенно различными генетическими причинами и где использование индивидуально подобранных препаратов позволяет справиться с устойчивостью опухолей к стандартным лекарствам.
Активное внедрение персонализированной медицины ставит новые требования к разработке лекарств. Так, лекарственные препараты должны обладать не «среднестатистической» эффективностью, данные по которой накоплены благодаря исследованиям на различных выборках пациентов, но эффективностью «точечной», то есть проявлять высокую активность в каждом конкретном случае. Очевидно, выполнить это условие бывает нелегко, поскольку скрининг лекарств представляет собой времязатратную, трудоемкую задачу (причем немалое время отнимают не только собственно клинические испытания, но и дизайн и химический синтез потенциальных препаратов), в то время как в лечении многих заболеваний счет часто идет на недели и даже дни.
Настоящий проект будет посвящен исследованию возможности применения ионных жидкостей в качестве основы для разработки и синтеза лекарств, отвечающих требованиям персонализированной медицины. Ионные жидкости – это органические соли, обычно состоящие из массивного катиона и более компактного аниона. Чрезвычайно высокое разнообразие представителей данного класса соединений (число возможных сочетаний катионов и анионов в ионных жидкостях приближается к 1018) позволяет получать соединения с практически любыми требуемыми характеристиками, благодаря чему ионные жидкости широко применяются в различных областях синтеза, катализа, электрохимии, наук о материалах, биотехнологий и др. Кроме того, присущая ионным жидкостям внутренняя микрогетерогенность также оказывает значительное влияние на их свойства. Относительная простота синтеза ионных жидкостей обеспечивает возможность за короткое время получать наборы веществ как с незначительными, так и с сильными различиями в структурах катионов и анионов. С недавнего времени также активно изучается медицинский потенциал ионных жидкостей в качестве сред доставки лекарств и собственно лекарственных препаратов. Однако точные механизмы воздействия ионных жидкостей на живые системы до сих пор изучены слабо.
В рамках проекта будут исследованы механизмы цитотоксичности различных ионных жидкостей на модельных системах (опухолевых культурах клеток) с целью подбора наиболее эффективных и селективных цитотоксических агентов. Будут изучены как известные классические ионные жидкости на основе имидазолия, пиридиния, аммония и холиния, так и новые соединения, полученные в ходе проекта (ионные жидкости на основе аминокислот, низкомолекулярных биологически активных веществ и 5-гидроксиметилфурфурола). Следует отметить, что ионные жидкости на основе соединения-платформы 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ), получаемого из возобновляемого сырья, будут синтезированы впервые в мировой практике. Необходимость разработки схем синтеза подобных веществ объясняется достаточно высокой стоимостью производства наиболее широко применяемых ионных жидкостей, которые получают из невозобновляемых источников. Получение ионные жидкостей из дешевого растительного сырья является важной задачей современной химии.
На основании полученных данных будут выявлены корреляции между химической структурой ионной жидкости и вызываемой ею цитотоксической реакцией (в частности, сигнальными каскадами в клетках различного происхождения), что, в свою очередь, позволит отработать модель применения препаратов на основе ионных жидкостей в персонализированной медицине: в каждом конкретном случае (для каждой клеточной линии) выбрать наиболее эффективную ионную жидкость, подобрать и синтезировать ее аналоги с незначительными структурными отличиями и провести скрининг их активностей. Кроме того, будет детально исследовано влияние гетерогенности среды ионных жидкостей на их цитотоксичность и изучена возможность направленного регулирования биологической активности систем на основе ионных жидкостей посредством «настройки» их внутренней микроструктуры. Схема проекта представлена на Рис. 1. Также предполагается изучить острую и хроническую токсичность отдельных соединений in vivo.
Рис. 1. Предполагаемые в рамках проекта цели и задачи. Синим выделены работы, которые планируется проводить в ИОХ РАН (научная группа №1), красным – в ИНК РАН (научная группа №2), зеленым – обеими группами в тесном сотрудничестве. (См. файл с дополнительной информацией 1.)
Данный междисциплинарный проект будет выполняться совместно научными группами из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (руководитель группы – к.х.н. Сейткалиева М.М.) и Института нефтехимии и катализа Уфимского федерального исследовательского центра РАН (руководитель проекта – д.м.н. Джемилева Л.У.). Группа ИОХ РАН обладает выдающимся опытом в синтезе и изучении физико-химических свойств различных ионных соединений, в том числе ионных жидкостей. Членами группы разработаны новейшие методики исследования свойств сред ионных жидкостей методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронной микроскопии. Группа ИНК УФИЦ РАН состоит из экспертов в области исследования механизмов цитотоксичности различных веществ, в том числе ионных соединений. Это позволит эффективно реализовать поставленные в проекте задачи и получить результаты, имеющие высокую научную значимость.
Ожидаемые результаты
Благодаря междисциплинарному подходу в рамках проекта впервые будет детально изучен механизм цитотоксичности широкого набора ионных жидкостей и установлена зависимость между их химической структурой и оказываемыми цитотоксическими эффектами. Эти данные будут использованы для отбора цитотоксических ионных жидкостей с наивысшей активностью и селективностью по отношению к опухолевым клеточным линиям, на которых, в свою очередь, будет отработана модель применения препаратов на основе ионных жидкостей в персонализированной медицине.
Научной группой из ИОХ РАН в рамках проекта впервые будут синтезированы ионные жидкости на основе 5-гидроксиметилфурфурола, соединения-платформы, получаемого из возобновляемого сырья, с различными противоионами. Также будут подобраны и синтезированы наборы ионных жидкостей на основе аминокислот и низкомолекулярных биологически активных веществ, с различными противоионами. Будут изучены их физико-химические свойства, такие как растворимость в воде, температура плавления и др. Методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронной микроскопии будет изучена внутренняя микрогетерогенность различных систем ионных жидкостей и дана оценка возможности использовать ее для направленной регуляции биологической активности.
Научной группой из ИНК УФИЦ РАН будут получены принципиально новые данные о влиянии различных классов ионных соединений (как стандартных ионных жидкостей, так и новых, полученных в ходе работ по проекту, на основе аминокислот, стероидов, тритерпеноидов, 5-гидроксиметилфурфурола и др.) на различные биологические объекты, в первую очередь – опухолевые и условно-нормальные линии клеток, а также микроорганизмы (представители нормальной микрофлоры человека и некоторые облигатные патогены). Острая и хроническая токсичность отдельных соединений будет изучена in vivo. Будут изучены особенности взаимодействия различных классов ионных соединений с основными белками сигнальных путей, ответственных за рост и пролиферацию клеток, а также исследована их генотоксичность, способность индуцировать апоптоз и влияние на клеточный цикл. Будут получены данные о растворимости ионных соединений, их стабильности, биодоступности и биоразлагаемости, а также будет изучено их взаимодействие с основными ферментами дыхательной цепи митохондрий, в том числе с привлечением методов in silico.
Полученные результаты будут опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах и представлены на российских и международных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения междисциплинарного проекта совместными усилиями двух научных групп был проведен масштабный скрининг цитотоксичности коммерчески доступных ионных жидкостей (ИЖ) с имидазолиевыми, пиридиниевыми, пирролидиниевыми, аммониевыми и холиниевыми катионами и различными анионами (хлорид, ацетат, бис(трифтрометан)сульфонимид, тетрафторборат, всего 25 ИЖ) на семи линиях человеческих клеток опухолевой и неопухолевой этиологии: U937 (гистиоцитарная лимфома), Jurkat (иммортализованные T-лимфоциты), HL60 (острая промиелоцитарная лейкемия), K562 (миелобластная лейкемия), HEK293 (иммортализованные клетки почки эмбриона), A549 (карцинома легкого), A2780 (карцинома яичников). Воздействие ИЖ на митохондрии и тип клеточной смерти были изучены на клеточной линии Jurkat. На основании анализа результатов были выявлены зависимости цитотоксичности ИЖ от структурных особенностей и природы биологического объекта, а также высказаны предположения о механизмах действия. Экспериментальные работы проводились коллективом ИНК РАН. Коллектив ИОХ РАН предоставил исследуемые соединения и провел обработку и анализ полученных результатов.
Группой ИОХ РАН были синтезированы новые ионные жидкости на основе 5-ГМФ с протонированной третичной аминогруппой в катионе и различными неорганическими анионами (Cl-, SO42-, H2PO4-) (12 соединений). Структура и чистота синтезированных ИЖ подтверждены методами спектроскопии ЯМР 1H, 13C, 19F и 31P, а также масс-спектрометрии с ионизацией распылением (ESI-MS). Синтезированные соединения преимущественно имеют низкие температуры плавления и обладают хорошей растворимостью в воде.
Цитотоксичность всех синтезированных ИЖ была изучена на клетках человеческих фибропластов (3215 LS). Согласно полученным данным, цитотоксичность некоторых ИЖ, полученных из 5-ГМФ, была сопоставима с цитотоксичностью обычных имидазолиевых ИЖ, тогда как другие ИЖ были значительно более активными. Значительное влияние на цитотоксичность оказывали заместители в катионном ядре. Большинство синтезированных ИЖ были значительно активнее 5-ГМФ.
Антимикробная активность новых синтезированных соединений была изучена на двух грамположительных (Staphylococcus aureus ATCC 43300, Enterococcus faecium 3576) и трех грамотрицательных (Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853, Klebsiella pneumoniae 700603) видах бактерий. Некоторые ИЖ обладали слабой бактерицидной активностью в отношении двух видов грамположительных бактерий (S. aureus и E. faecium).
С помощью сканирующей электронной микроскопии была исследована способность новых ИЖ растворять целлюлозу. Было показано, что ИЖ с сульфат-анионом с добавлением 10 об.% H2O образует микроструктурированную систему, которая может быть использована для растворения микрокристаллической целлюлозы. Согласно количественной оценке, растворимость целлюлозы составляла прибл. 0,3 мас.% в чистой ИЖ (через 3 часа) и прибл. 0,5 мас.% в гидратированной ИЖ (через 1 ч) при 110 °C.
Было проведено компьютерное моделирование взаимодействий катионов и анионов в новых ИЖ, а также их поведения при растворении в органических растворителях. Исследование показало, что в водной среде более высока вероятность депротонирования органических катионов и распада ионных пар на отдельные ионы, а среда ДМСО в большей степени способствует ассоциации ионов, в том числе допускает формирование катион-катионных ассоциатов по механизму π-π стекинга. Как в среде воды, так и в среде ДМСО наблюдается ассоциация анионов за счет формирования антиэлектростатических водородных связей. Анализ полной электронной плотности водородных связей в межионных ассоциатах различной структуры показал, что наиболее прочные водородные связи формируются между NH-группой четвертичного атома азота и атомами кислорода гидросульфат-аниона, а также между NH-группой четвертичного атома азота и концевыми OH-группами другого органического катиона. Слабым акцептором водородной связи в данной ИЖ является атом кислорода фуранового кольца.
Оценка экологических показателей продемонстрировала значительные преимущества получения ИЖ из возобновляемого источника сырья. Ключевые достоинства заключаются в сокращении количества стадий синтеза и доступности исходных материалов. Оба химически реактивных положения C2 и C5 фуранового кольца замещены в 5-ГМФ и его производных, что обеспечивает стабильность ИЖ, полученных из 5-ГМФ; при этом ядро С6 переходит из гексозы непосредственно в 5-ГМФ, а затем в ИЖ без потерь углерода.
Группой ИНК РАН были впервые синтезированы гибридные молекулы на основе литохолевой кислоты и (5Z,9Z)-1,14-тетрадека-5,9-диендикарбоновой кислоты, полученной в две стадии с применением на ключевой стадии реакции гомо-цикломагнирования 2-(гепта-5,6-диен-1-илокси)тетрагидро-2Н-пирана – аналоги природных 5Z,9Z-диеновых кислот. Показано, что все синтезированные гибридные молекулы, прекурсоры для последующего получения ионных соединений, проявляют высокую цитотоксичность на панели из пяти опухолевых клеточных линий Jurkat, K562, HEK293, HeLa, и U937 в сравнении исходной литохолевой кислотой, а также, возможно, влияют на топоизомеразу II в незначительной степени, и вызывают апоптоз опухолевых клеток Jurkat по митохондриальному типу, вызывая потерю цитохрома С и активацию каспаз. Исследуемые производные литохолевой кислоты вызывают арест клеточного цикла в G1/S, что свидетельствует о их высокой противоопухолевой активности и позволяет рассматривать данные соединения как перспективные кандидаты в лекарственные препараты. С применением молекулярного докинга проведено in silico моделирование взаимодействия синтезированных структур с топоизомеразами I и II.
Был осуществлен синтез ионных соединений на основе стероидов и тритерпеноидов, содержащих фрагменты имидазола, пиридина, пирролидина и пиперидина как непосредственным ковалентным связыванием соответствующих производных указанных гетероциклов с молекулами, так и их введение через различные углеводородные спейсеры.
Для синтезированных ионных жидкостей проведено изучение их цитотоксического действия в отношении опухолевых клеток, для соединений-кандидатов с оптимальной селективностью противоопухолевого действия изучено апоптоз-индуцирующее влияние на клеточный цикл, а также проведена качественная оценка апоптоза (внешний и внутренний пути активации) в опухолевых клеточных линиях при воздействии этих соединений. С применением современных методов проточной цитометрии и мультиплексного анализа показано, что ионные жидкости, в зависимости от аниона и катиона, присутствующих в их структуре, вызывают апоптоз опухолевых клеток, действуя на митохондрии, но имеют различный механизм повреждения митохондрий. ИЖ могут действовать как ионофоры, либо как разобщители окисления и фосфорилирования. Причем выделена отдельна группа соединений на основе олеаноловой кислоты, которая действует, как «мягкие» разобщители.
Публикации
1. Сейткалиева М.М., Егорова К.С., Анаников В.П. Ионные жидкости в медицине Сборник тезисов докладов VI Междисциплинарной конференции «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии (МОБИ-Химфарма 2020), Россия, Нижний Новгород (27-30 сентября 2020 г.), - (год публикации - 2020)