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 23-23-00098

НазваниеФлуоресцентные производные тритерпеновых кислот с липофильными катионными группами в боковых цепях в качестве митохондриально-направленных тераностических агентов: синтез, цитотоксичность, молекулярные мишени и субклеточная локализация.

РуководительНедопёкина Дарья Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Уфимский федеральный исследовательский центр Российской академии наук, Республика Башкортостан

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

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 словапентациклические тритерпеноиды, катионные производные, противоопухолевая активность, делокализованные липофильные катионы, флуоресцентные красители, F16, метиленовый синий, BODIPY, органеллы, митохондрии, тераностические агенты.

Код ГРНТИ31.23.00; 31.23.17

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последнее время в области биомедицины и медицинской химии активно изучаются вопросы создания противопухолевых таргетных лекарств нового поколения, действующих на субклеточные органеллы, функционирование которых жизненно необходимо для существования клеток. Среди внутриклеточных компартментов большое внимание уделяется митохондриям и тераностическим лекарственным средствам, направленным на эти органеллы. Митохондрии являются одним из ключевых объектов исследований в терапии рака, поскольку эти органеллы вносят значительный вклад в злокачественную трансформацию и прогрессирование опухоли, увеличивая пластичность раковых клеток и контролируя некоторые механизмы, необходимые для их работы. Значительный интерес к митохондрии в качестве мишени для лечения онкологических заболеваний стимулировал развитие новой, и имеющей большое практическое значение области биомедицинских исследований, известной как митохондриально-направленная тераностика. Эта быстро развивающаяся инновационная биомедицинская технология имеет большой потенциал для использования в персонализированной онкологической медицине, включая мониторинг процесса лечения в реальном времени и отражение терапевтического эффекта. Данный проект направлен на создание новых тераностических агентов на основе флуоресцентных митохондриально-направленных производных тритерпеновых кислот с цитотоксическими свойствами. Тритерпеновые кислоты, доступные природные соединения растительного происхождения, активно исследуются в качестве перспективных скаффолдов для разработки новых противораковых агентов. Особое внимание к этим вторичным растительным метаболитам вызвано их способностью инициировать митохондриальный путь апоптоза в различных типах раковых клеток человека. Привлекательность тритерпеновых кислот в качестве молекулярной платформы для открытия новых кандидатов в лекарства обусловлена также их слабым цитотоксическим действием по отношению к нормальным клеткам человека. Однако относительно низкий противоопухолевый потенциал, высокая гидрофобность и плохая солюбилизация в сыворотке крови тритерпеноидов заметно затрудняют продвижение в медицинскую практику. Недавно нами и другими научными коллективами было показано, что успешно решить проблему биодоступности и усиления противоопухолевого действия тритерпеноидов можно путем трансформации тритерпеновых кислот в катионные производные, содержащие в С-3 и/или С-28 боковых цепях терминальные катионные липофильные фрагменты в качестве “вектора” доставки гибридных молекул в митохондрии опухолевых клеток. Однако механизм противоопухолевого действия этого нового типа гибридных соединений тритерпеновой структуры, степень их проникновения в клетки и субклеточная локализация остаются не выясненными. Биологическое тестирование противоопухолевой активности и биоимиджинг, полученных в проекте флуоресцентных проб катионных производных тритерпеноидов, позволят получить представление о селективности митохондриальных дисфункций в опухолевых и здоровых клетках, инициированных этими соединениями. Большое внимание в проекте будет уделено разработке новых противоопухолевых агентов-митоканов, которые будут содержать в С-28 боковой цепи цитотоксических тритерпеновых соединений фрагмент катионной молекулы метиленового синего (МС). Мы предполагаем, что в этом случае липофильный катионный фрагмент флуоресцентного красителя будет одновременно играть роль, как флуоресцентного маркера и фотосенсибилизатора, так и средства доставки гибридных соединений в митохондрии опухолевых клеток. Идея вовлечения катионной молекулы МС в конъюгации с цитотоксическими соединениями не использовалась ранее для создания противоопухолевых митохондриально-направленных агентов. Кроме того, потенциально гибридные соединения МС с тритерпеноидами могут продемонстрировать высокую эффективность при использовании в противоопухолевой фотодинамической терапии.

Ожидаемые результаты
Будет получена “библиотека” флуоресцентных проб тритерпеновых кислот и их катионных производных, содержащих в С-28 боковой цепи фрагменты митохондриально-направленных катионов: TPP+, гуанидиниевый, (E-4(1H-индол-3-илвинил)-N-метилпиридиниевый) и фенотиазиниевый. Структуры полученных соединений будут подтверждены с использованием всех современных спектральных методов. Будет проведен первичный скрининг новых конъюгатов на цитотоксическую активность в отношении линий опухолевых клеток и здоровых клеток фибробластов. Выбраны соединения-лидеры с приемлемой величиной IC50 и приемлемым терапевтическим индексом для дальнейших биологических исследований. Для выявленных соединений-лидеров будет проведена оценка механизмов апоптоза по каспазной активности и выходу цитохрома с из митохондрий в цитозоль и установлены прямые митохондриальные эффекты на изолированных митохондриальных клетках печени крыс (влияние на дыхательные параметры, митохондриальный трансмембранный потенциал, индукцию митохондриальной проницаемости и поверхностные свойства мембран митохондрий). Будет проведена оценка проницаемости липидов мембран на модели лецитиновых липосом. Методом флуоресцентной микроскопии с использованием флуоресцентного микроскопа будет проведён анализ клеточного проникновения гибридных молекул и их локализации в митохондриях клеток. В случае успешного решения запланированных в проекте синтетических задач и получения хороших результатов в in vitro экспериментах будут получены новые потенциальные флуоресцентные зонды цитотоксических соединений тритерпеновой структуры и новые мультифункциональные фотосенсибилизаторы для использования в комбинированной противоопухолевой химио-фотодинамической терапии. Преимуществом разрабатываемого подхода является простая “сборка” потенциальных тераностических агентов путем химического связывания доступных цитотоксических тритерпеновых кислот с известными липофильными митохондриально-направленными катионными соединениями и флуоресцентными красителями.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Данный проект направлен на создание противоопухолевых агентов “митоканов” на основе митохондриально-направленных производных тритерпеновых кислот с цитотоксическими свойствами, содержащих в своей структуре фрагменты делокализованных липофильных катионов. В результате проведенных в отчетном году исследований по теме проекта синтезированы новые F16-содержащие структурные аналоги природных тритерпеновых кислот урсанового и олеанового ряда (урсоловой, олеаноловой, маслиновой и коросолевой кислот). Фрагмент липофильного катионного соединения F16 (4-(1H-индол-3-ил-винил)пиридиния использован для усиления клеточного трансмембранного переноса и селективной доставки гибридной молекулы в митохондрии раковых клеток, а также в качестве флуоресцентного зонда. Впервые изучено влияние введения катионного фрагмента F16 в структуру оксигенированных пентациклических тритерпеновых кислот (маслиновая, коросолевая кислоты и тригидроксилированный аналог бетулиновой кислоты) на проявляемые ими цитотоксические эффекты с целью установления перспектив применения полученных гибридных соединений в качестве потенциальных противоопухолевых лекарственных средств. На нескольких опухолевых клеточных линиях показано, что конъюгация F16 с исследованными тритерпеноидами синергетически усиливает их цитотоксичность, что приводит к значительному снижению активных концентраций, до субмикромолярных величин. Среди исследованных конъюгатов выявлены соединения-лидеры, которые наряду с высоким противоопухолевым эффектом продемонстрировали селективность между опухолевыми клетками и здоровыми клетками фибробластами. С целью исследования молекулярных механизмов цитотоксичности полученных конъюгатов проведены эксперименты по оценке их митохондриальной токсичности на изолированных митохондриях печени крыс. Установлено, что полученные гибридные соединения оказывали поверхностно-активное действие на мембраны митохондрий, вызывая агрегацию органелл. Их аккумуляция в митохондриях приводила к дозозависимому снижению митохондриального мембранного потенциала, а также к подавлению дыхания и окислительного фосфорилирования. Кроме того, F16-производные тритерпеноидов способствовали гиперпродукции АФК (супероксида, H2O2) в митохондриях. Эти эффекты, по-видимому, связаны с мощным подавлением окислительно-восстановительных функций комплекса I электронно-транспортной цепи митохондрий. Совокупность всех этих факторов, по всей видимости, и лежит в основе цитотоксического эффекта конъюгатов «F16-тритерпеноид». С применением метода конфокальной флуоресцентной спектроскопии выполнена прямая визуализация полученных флуоресцентных проб тритерпеновых конъюгатов с F16 в клетку и их внутриклеточное распределение. Степень накопления конъюгата в митохондриях определяли по колокализации катиона F16 с зондом MitoTracker DeepRed. Результаты, полученные на эндотелиальных клетках мыши, показали, что конъюгаты с F16 проникали в клетку и преимущественно локализовались в митохондриях. С целью заявленных в проекте планов по синтезу фенотиазиновых аналогов, включая производные известного флуоресцентного красителя метиленового синего, осуществлен синтез нового N-замещенного аналога фенотиазина, несущего в своей структуре митохондриально-направленную катионную группу (E)-4-(1H-индол-3-илвинил)-пиридиния (F16), связанную с атомом азота фенотиазинового ядра алкильным мостиком. Соединение проявило высокую цитотоксическую активность in vitro (IC50 3.3 μМ) по отношению к карциноме молочной железы человека BT-474. В экспериментах на изолированных митохондриях печени крыс было выявлено его значительное влияние на снижение мембранного потенциала митохондрий опухолевых клеток.

 

Публикации

1. Дубинин М.В., Недопёкина Д.А., Ильзоркина А.И., Семенова А.А., Шарапов В.А., Давлетшин Э.В., Микина Н.В., Бельский Ю.П., Спивак А.Ю., Акатов В.С., Белослудцева Н.В., Лю Ц., Белослудцев К.Н. Conjugation of triterpenic acids of ursane and oleanane types with mitochondria-targeting cation F16 synergistically enhanced their cytotoxicity against tumor cells. Membranes, № 13(6), V. 563 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/membranes13060563

2. Спивак А.Ю., Давлетшин Э.В., Недопёкина Д.А., Халитова Р.Р., Бельский Ю.П., Шувалов О.Ю. Synthesis and Cytotoxic Activity of the Conjugate of an Oxygenated Betulinic Acid Analog with the Delocalized Lipophilic Cationic Compound F16 CHEMISTRY OF NATURAL COMPOUNDS, № 5, V. 59, P. 865-871 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s10600-023-04137-x

3. Давлетшин Э.В., Недопёкина Д.А., Спивак А.Ю. Конъюгация тритерпеновых кислот лупановой, урсановой и олеановой структуры с митохондриально-направленным катионным соединением F16 усиливает цитотоксическую активность против опухолевых клеток. Материалы I Междисциплинарной всероссийской молодежной научной школы-конференции с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты», г. Казань, С. 68 (год публикации - 2023)

4. Микина Н.В., Семенова А.А., Шарапов В.А., Недопёкина Д.А., Спивак А.Ю., Давлетшин Э.В., Халитова Р.Р., Дубинин М.В. Митохондриально-направленные эффекты конъюгата маслиновой кислоты и липофильного катиона F16. Материалы 76-ой Всероссийской конференции с международным участием школа-конференция молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление», г. Нижний Новгород, С. 213 (год публикации - 2023)

5. - Кислоты из яблочного и оливкового жмыха помогут бороться с опухолями Пресс-служба Российского научного фонда, сайт РНФ, 27.06.2023 (год публикации - )