Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработка новых способов ранней диагностики и лечения онкологических заболеваний является актуальной проблемой химии в сотрудничестве с другими областями науки. Данный проект направлен на создание новых эффективных сенсибилизаторов для фотодинамической терапии рака, а также внутриклеточных флуоресцентных сенсоров на основе тетрапиррольных комплексов фосфора (V). В ходе первого года работы были подробно изучены фотофизические и фотохимические свойства полученных ранее модельных комплексов фосфора (V) с фталоцианинами с различным типом замещения в кольце и различными аксиальными лигандами. Были выявлены зависимости флуоресценции, способности к генерации синглетного кислорода от структуры молекулы и показано, что наиболее эффективным фотосенсибилизатором является комплекс, содержащий феноксильные аксиальные лиганды и обладающий квантовым выходом 90%. Кроме того, было продемонстрировано, что оксо-гидроксо-замещенный комплекс может находиться в трех различных состояниях в зависимости от кислотности среды, и таким образом становится возможным переключение его свойств, в том числе, флуоресценции. Кроме того, по известным методикам был получен ряд порфиринатов фосфора (V), содержащих в мезо-положениях различное число пиридильных и фенильных групп, а также различные аксиальные лиганды. Для этих комплексов были проведены биологические исследования, измерена световая и темновая токсичность, а также изучено накопление в клетках. Было показано, что все соединения данного ряда накапливаются в органеллах цитоплазмы и проявляют токсичность под действием излучения. При этом наибольшее накопление и наибольшую токсичность проявляет моно-пиридил-три-фенил-порфиринат фосфора с этоксильными аксиальными лигандами (IC50=0.011±0.002, индекс токсичности – 19.1). В дальнейшем велась разработка подходов к синтезу новых водорастворимых порфиринатов и фталоцианинатов фосфора (V), способных к эффективной генерации синглетного кислорода, а также к обратимому изменению флуоресценции в зависимости от свойств среды, в первую очередь, от ее кислотности. В результате удалось получить ряд комплексов, показавших перспективные свойства. В частности, был получен тетрафенилпорфирината фосфора (V), содержащий п-аминофенол в качестве аксиального лиганда. Отдельной задачей было показать способ связывания аксиального лиганда с атомом фосфора, т.к. аминофенол способен к образованию связи как через атом кислорода, так и через амино-группу. Образование целевого продукта было доказано с помощью методов ЯМР-спектроскопии, включая двумерную HMBC 1H-15N ЯМР-спектроскопию. Синтезированный комплекс оказался растворим в воде и способен к переключению оптических и флуоресцентных свойств в зависимости от pH. В дальнейшем планируется провести биологические исследования, а также получить аналогичные комплексы с другими порфиринами. Кроме того, предпринимались попытки синтеза целого ряда фталоцианинатов фосфора (V). В результате было получено два водорастворимых комплекса, которые показали способность к переключению флуоресценции в зависимости от pH среды: тетра-бензо-24-краун-8-фталоцианинат фосфора (V) с моноэтиловым эфиром диэтиленгликоля в качестве аксиальных лигандов и деметокси-окта-β-(моноэтилдиэтиленгликоль)-фталоцианинат P(V). Дополнительно, на ранее полученном полученном 15-краун-5-фталоцианинате фосфора (V), содержащим моноэтиловый эфир диэтиленгликоля в качестве аксиального лиганда было подробно изучено влияние pH на его свойства. Было показано, что при pH<4.9 комплекс находится в исходном состоянии, при переходе от кислого раствора к щелочному наблюдается образование продукта нуклеофильного присоединения и значительный гипсохромный сдвиг Q-полосы, при pH>9.6 комплекс полностью переходит в аддукт. Было показано, что при этом наблюдается полное тушение флуоресценции. Для данного соединения была также изучена световая и темновая цитотоксичность, однако данный комплекс не продемонстрировал фотоиндуцированную токсичность ни для клеток карциномы молочной железы человека MCF-7, ни для иммортализованных фибробластов человека WI-26. Это можно объяснить его низким уровнем накопления в клетках. Таким образом, в результате первого года работы был получен ряд водорастворимых тетерапиррольных комплексов фосфора (V), а также изучены закономерности изменения свойств как в зависимости от структуры молекул, так и от свойств среды. Полученные данные позволят на следующем этапе получить эффективные фотосенсибилизаторы и флуоресцентные сенсоры.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Поскольку на предыдущем этапе проекта, серия комплексов фенил- и пиридил-замещенных порфиринов с фосфором (V) показала переспективные данные по фототоксичности было решено расширить ряд исследуемых соединений. Были дополнительно получены два диэтоксипорфирината фосфора: с тетрафенилпорфирином и с дипиридилдифенилпорфирином. Для полученных соединений в сравнении с ранее изученным комплексом монопиридитрифенилпорфирина были проведены клеточные исследования и показано, что все соединения данного ряда способны накапливаться в клетках и обладают субмикромолярной и наномолярной токсичностью, при этом увеличение акцепторных пиридильных групп в комплексах порфиринатов фосфора приводит к уменьшению фотоактивности и индекса фототоксичности. Было показано, что наиболее цитотоксичными при облучении синим светом являются [(MPyP)P(OEt)2]+Br- и [(TPP)P(OEt)2]+Br- наиболее цитотоксичными соединениями с наномолярной фототоксичностью с IC50 11±2 и 10±3 нМ соответственно. Кроме того, был более подробно изучен синтезированный на прошлом тетра-фенил-порфиринат фосфора (V), содержащий п-аминофенол в качестве аксиального лиганда, способный к переключению флуоресценции в зависимости от pH среды. Для него были измерены квантовые выходы генерации синглетного кислорода в двух состояниях – нейтральном и протонированном и показано что в нейтральном состоянии данный комплекс не способен к генерации синглетного кислорода, тогда как в протонированной форме квантовый выход составляет 6%. Кроме того, было показано, что в обеих формах комплекс является фотостабильным и не разрушается при облучении. Также с помощью спектрофотометрического рН-титрования, было определено, что полный переход в протонированную форму переходит при рН<2.0, а в нейтральной форме комплекс существует при рН>6.1, при 2.0<pH<6.1 существует равновесие двух форм. Поскольку в физиологичном диапазоне кислотности данный комплекс не обладает ни флуоресценцией, ни способностью к генерации кислорода, было решено синтезировать его аналог с другим порфириновым лигандом. В качестве таких лигандов были выбраны моно-пиридил-три-фенил порфирин, тетра- п-метоксифенил-порфирин и тетра-п-метилфенил-порфирин. В результате работы удалось выделить в индивидуальном виде один из комплексов - тетра-п-метилфенил-порфиринат фосфора (V), содержащий п-аминофенол в аксиальных положениях. Было показано, что введение электронодонорный групп приводит к повышению значений квантовых выход флуоресценции и генерации синглетного кислорода в ДМСО, а также к смещению диапазона рН-перехода в нейтральную область, что делает перспективным дальнейшее развитие этой тематики и создает предпосылки для создания рН-чувствительного настраиваемого фотосенсибилизатора. Другим направлением проекта было создание фотосенсибилизаторов и рН-сенсоров на основе комплексов фталоцианинов. Поскольку ранее изученный комплекс тетра-15-краун-5-фталоцианина не проявлял фотоиндуцированной цитотоксичности, на следующем этапе работы были синтезированы новые фталоцианинаты фосфора (V): тетра-(полиэтиленгликоль-фенокси)-фталоцианинат, содержащий фрагменты эфира диэтиленгликоля в аксиальном положении, тетра-15-краун-5-фталоцианинат фосфора (V), содержащий остатки молекул галактозы в качестве аксиальных лигандов и β-окта-(метилтриэтиленгликоль)фталоцианинат фосфора (V), содержащий гидроксильные аксиальные лиганды. Для всех полученных соединений были изучены фотофизические и фотохимические свойства: флуоресценция, генерация синглетного кислорода и фотостабильность. Было показано, что весь ряд комплексов обладает способностью к генерации синглетного кислорода, а также флуоресценцией в красной и ближней ИК-областях спектра. Важно отметить, что комплекс β-окта-(метилтриэтиленгликоль)фталоцианинат фосфора (V) с гидроксильными лигандами может существовать в трех различных формах в зависимости от кислотности среды – нейтральной, кислой и основной. При этом все три формы обладают собственной флуоресценцией, таким образом становится возможным создание эффективного флуоресцентного переключателя на основе данного соединения. Квантовые выходы генерации синглетного кислорода для изученных комплексов находятся в диапазоне 20-43%, при этом наиболее эффективным фотосесибилизатором является β-тетра-(полиэтиленгликоль-фенокси)-фталоцианинат P(V), содержащий гликолевые группы в качестве аксиальных лигандов. Интересно отметить, что все три формы β-окта-(метилтриэтиленгликоль)фталоцианинат фосфора (V) с гидроксильными лигандами, обладают относительно высокой способностью к генерации синглетного кислорода (33-38%). Также, для полученных комплексов были выполнены биологические исследования и показано, что для всех изученных фталоцианинатов фосфора (V) темновая токсичность и фототоксичность были значительно ниже, чем для ранее изученных комплексов порфиринов. Наибольшую токсичность продемонстрировал комплекс, содержащий остатки галактозы в аксиальных положениях, однако он не демонстрировал фоточувствительности (индекс фототоксичности близок к единице). Кроме того, умеренную цитотоксичностью обладал β-окта-(метилтриэтиленгликоль)фталоцианинат фосфора (V) с гидроксильными лигандами (IC50 ~ 50 мкМ для MCF-7) и единственный из ряда фталоцианинатов фосфора (V) проявлял фоточувствительность. Все три комплекса продемонстрировали низкое накопление в клетках, что коррелирует с их относительно невысокой токсичностью по сравнению с рядом диэтокси-замещенных порфиринатов фосфора (V). Наибольшее накопление демонстрирует комплекс тетра-15-краун-5-фталоцианинат фосфора (V), содержащий остатки молекул галактозы в качестве аксиальных лигандов. По результатам работы опубликована статья в журнале Molecules (Q1), принята к печати статья в Mendeleev Communications, а также подготовлена к печати статья «Phosphorus (V) 15-crown-5-phthalocyanine as a promising non-toxic near-IR photoinitiators in aqueous medium».