Новые биосовместимые люминесцентные наночастицы на основе комплексов металлов 11 группы с P2,N2-гетероциклическими лигандами - потенциальные препараты с избирательной цитотоксичностью.

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 проекта 22-13-00147

НазваниеНовые биосовместимые люминесцентные наночастицы на основе комплексов металлов 11 группы с P2,N2-гетероциклическими лигандами - потенциальные препараты с избирательной цитотоксичностью.

Руководитель Карасик Андрей Анатольевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые слова циклические аминометилфосфины, комплексы, золото(I), медь(I), люминесценция, наночастицы, тераностика, цитотоксичность, антираковая специфичность, клеточная интернализация, внутриклеточная локализация

Код ГРНТИ31.17.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку фундаментальных основ создания биосовместимых люминесцентных наноматериалов на основе комплексов d10-металлов с циклическими аминометилфосфиновыми лигандами, выявление их потенциала как агентов для диагностики и лечения онкологических заболеваний. Поэтому будет установлена взаимосвязь между эффективностью применения наночастиц для тераностики с ключевыми функциональными характеристиками наночастиц, такими как: (1) генерация реактивных форм кислорода; (2) блокировка антиоксидантной защиты клеток; (3) способность наночастиц повреждать лизосомальные компартменты за счет высвобождения биоактивных металлокомплексных молекул или агрегации последних в крупные (более 1 мкм) образования внутри компартментов.Повреждение лизосом и блокировка антиоксидантной защиты клеток оказывают более значимый цитотоксический эффект на раковые, чем на нормальные клетки, что создает предпосылки для избирательной цитотоксичности исследуемых наночастиц. Выявленные закономерности позволят создать альтернативные подходы для антираковой терапии, что является предпосылкой решения проблемы лекарственной резистентности раковых клеток. Проект будет реализован за счет мультидисциплинарного комплексного подхода, включающего усилия высококвалифицированных специалистов в области синтетической элементоорганической и координационной химии, супрамолекулярной и коллоидной химии, а также медицинской химии и биологии. Для реализации целей проекта будут решены следующие задачи: (1) разработать методы синтеза 1,5,3,7-диазадифосфациклооктанов с хромофорными (пиридильными, пиридилэтильными, бифенильными и пиренилфенильными) заместителями при атомах фосфора и фенильными заместителями, содержащими метильный (модельный), изопропильный (разветвленный) и октильный (длинный линейный) радикалы в пара-положении, при атомах азота; (2) разработать методы синтеза катионных и нейтральных комплексов меди(I) и золота (I) на основе вышеуказанных лигандов, исследовать их структуры и фотофизические свойства; (3) разработать синтетические протоколы получения наночастиц «ядро-оболочка» за счет эффективной самоорганизации синтезированных комплексов меди(I) и золота (I) с 1,5,3,7-диазадифосфациклооктанами в наночастицы, стабилизированные за счет инкорпорирования в биосовместимые гидрофильные полимерные оболочки; (4) оптимизировать структуру металлокомплексных блоков (ядро), а также морфологических и коллоидных характеристик наночастиц «ядро-оболочка» для обеспечения химической и коллоидной устойчивости наночастиц на основе комплексов d10-металлов в биологических жидкостях; (5) сохранить эмиссионные свойств исходных комплексов d10-металлов в наночастицах за счет создания специфической морфологии наночастиц типа «ядро-оболочка», минимизирующей процессы тушения эмиссии в водном окружении, либо модифицировать эмиссионные свойства наночастиц путем включения в их состав наряду с комплексными катионами металлов 11-группы люминесцирующих кластерных анионных блоков, (6) используя люминесценцию наночастиц оценить на количественном уровне клеточную интернализацию и внутриклеточную локализацию наночастиц для здоровых и раковых клеток, (7) для полученных комплексов и наночастиц «ядро-оболочка» оценить цитотоксический эффект и его специфичность отношении раковых клеток. Решение указанных задач позволит выявить корреляцию внутриклеточной локализации наночастиц «ядро-оболочка» с их строением, включая структуру, природу и размер металлокомплексного ядра, а также структуру и морфологию гидрофильной оболочки наночастиц. Терапевтический потенциал созданных наноматериалов будет оценен в растворах, моделирующих внутриклеточное окружение наночастиц путем измерения уровня генерируемых активных форм кислорода, так и способности наночастиц к связыванию аминокислот и белков, обеспечивающих антиоксидантную защиту клеток. Полученные результаты будут проанализированы в корреляции с экспериментально измеренной цитотоксичностью наночастиц по отношению к раковым и нормальным клеткам. Данные корреляции важны для понимания механизмов антираковой специфичности цитотоксического действия наноночастиц на основе комплексов d10-металлов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Стрельник И.Д., Даянова И.Р., Герасимова Т.П., Кацюба С.А., Колесников И.Е., Калиничев А., Шмелев А., Исламов Д.Р., Леннеке П., Хей-Хоккинс Е., Мусина Э.И., Карасик А.А. Deep-Blue Emissive Copper(I) Complexes Based on P‑Thiophenylethyl-Substituted Cyclic Bisphosphines Displaying Photoinduced Structural Transformations of the Excited States Inorganic Chemistry, V. 61, N. 42, pp. 16596–16606 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.inorgchem.2c01901

2. Файзуллин Б.А., Даянова И.Р., Стрельник И.Д., Холин К.В., Низамеев И.Р., Губайдуллин А.Т., Волошина А.Д., Герасимова Т.П., Кашник И., Брылев К.А., Сибгатуллина Г., Самигуллин Д., Петров К.А., Мусина Э.И., Карасик А.А., Мустафина А.Р. pH-Driven Intracellular Nano-to-Molecular Disassembly of Heterometallic [Au2L2]{Re6Q8} Colloids (L = PNNP Ligand; Q = S2- or Se2-) Nanomaterals, V.12, N.18, P. 3229-3244 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12183229

3. И.Р. Даянова, А.И. Фаезова, И.Д. Стрельник, И.А. Литвинов, Д.Р. Исламов, И.Е. Колесников, Т.П. Герасимова, Э.И. Мусина, А.А. Карасик Aurophilic Interactions of Dimeric Bisphosphine Gold(I) Complexes Pre-Organized by the Structure of the 1,5-Diaza-3,7-Diphosphacyclooctanes Inorganics, V.10, N. 12, P. 224 (год публикации - 2022)
10.3390/inorganics10120224

4. Стрельник И.Д., Даянова И.Р., Файзуллин Б.А., Мустафина А.Р., Герасимова Т.П., Колесников И.Е., Исламов Д.Р., Литвинов И.А., Волошина А.Д., Сапунова А.С., Губайдуллин А.Т., Мусина Э.и., Карасик А.А. Linkage of the Dinuclear Gold(I) Complex Luminescence and Origin of Endocyclic Amino Group of Cyclic P2N2‑Bridging Ligands Inorganic Chemistry, V.62, N.48, pp.19474-19487 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.inorgchem.3c02437

5. Файзуллин Б.А., Даянова И.Р., Куренков А.В., Губайдуллин А.Т., Сафина А., Низамеев И.Р., Холин К.В., Хризанфоров М., Литвинов И.А., Волошина А.Д., Любина А.П., Сибгатуллина Г.В., Самигуллин Д.В., Мусина Э.И., Стрельник И.Д., Карасик А.А., Мустафина А.Р. ROS‑producing nanomaterial engineered from Cu(I) complexes withP 2N2‑ligands for cancer cells treating Discover Nano (Nanoscale Research Letters), V.18, p.133 (год публикации - 2023)
10.1186/s11671-023-03912-7

6. Файзуллин Б.А., Спиридонова Ю.С., Холин К.В., Хризанфоров М.Н., Литвинов И.А., Волошина А.Д., Парфенов А.А., Мусина Э.И., Стрельник И.Д., Карасик А.А., Мустафина А.Р. Structure-dependent aggregation and ROS-generation in aqueous media of new cationic copper(I) complexes based on 1,5,3,7-diazadiphosphacyclooctanes Inorganica Chimica Acta, Volume 574, 1 January 2025, 122382 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ica.2024.122382

7. И.Р. Даянова, З.Р. Сабирова, А.П. Любина, А.Д. Волошина, А.Г. Шмелев, Э.И. Мусина, И.Д. Стрельник, А.А. Карасик Люминесцентые, низкотоксичные P,P-бисхелатные комплексы меди(I) с N-алкиларилзамещенными 1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктанами Russian Chemical Bullletin (Известия Академии наук. Серия химическая), том 73, № 6, c.1811-1817 (год публикации - 2024)
10.1007/s11172-024-4298-3

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках работы были синтезированы и охарактеризованы катионные бис-(P,P)-хелатные комплексы меди(I) с 1,5,3,7-диазадифосфациклооктановыми лигандами, обладающие разной гидрофобностью за счет длины алкильного заместителя (СH3, i-С3H7, С8H17) в фенильном фрагменте у атомов азота. Выявлена структурно-зависимая агрегация комплексов в среде, моделирующей питательные среды, при этом наиболее выраженную агрегацию проявляет комплекс с октильными заместителями. Показано, что агрегация данных комплексов является фактором, способствующим их химической стабильности в водных средах и сохранению люминесцентных свойств. В свою очередь, люминесцентные свойства комплексов позволяют отслеживать их клеточное проникновение. Показано, что повышенная агрегация комплекса с октильными заместителями ограничивает его проникновение в клетки и подавляет способность генерировать активные формы кислорода (АФК), что коррелирует с его наименьшей цитотоксичностью. При этом уменьшение длины алкильных заместителей приводит к росту цитотоксичности комплексов, согласующегося с увеличением эффективности их проникновения в клеточные структуры, так повышением уровней генерируемого комплексами внутриклеточного окислительного стресса. Противораковая специфичность комплексов с пара-изопропилфенильными и пара-метилфенильными заместителями сопоставима, и при этом выше, чем специфичности пара-октил-замещенного комплекса, что обусловлено его ограниченной проникновением в клетки вследствие образования крупных агрегатов с достаточной химической и коллоидной устойчивостью в водных средах. Для преодоления неуправляемой агрегации бис-(P,P)-хелатных комплексов меди(I) в водных растворах были разработаны нанокомпозиты на основе плюроника F-127, обеспечивающие оптимальное сочетание химиодинамической терапевтической активности и клеточного контрастирования. Модификация условий синтеза, в частности изменение концентрации F-127, позволяет варьировать степень загрузки наноносителей, что обусловлено образованием наночастиц различной морфологии. Так, формирующиеся при высокой концентрации полимера мицеллярные наноструктуры, загруженные метил-замещенным комплексом, крайне нестабильны, в то время как включение изопропил- и октил-замещенных комплексов приводит к образованию стабильных во времени нанокомпозитов. Снижение концентрации F-127 до уровня ККМ или ниже способствует образованию наночастиц типа «ядро-оболочка», при этом их стабильность снижается при переходе от октил-замещенного комплекса к его изопропил-замещенному аналогу. Комплексы в составе нанокомпозитов не только демонстрируют люминесценцию, но и генерируют значительные уровни АФК в водной среде, что является необходимым условием для совмещения функций клеточного контрастирования и химиодинамической терапии (ХТ). Было показано, что как цитотоксичность, так и уровни внутриклеточных АФК зависят от структуры включенного в состав нанокомпозитов комплекса. В частности, цитотоксичность наноносителей, загруженных комплексом с изопропильными заместителями, выше по сравнению с октил-замещенным комплексом, что обусловлено его более быстрым высвобождением из нанокомпозитов во внутриклеточное пространство. Установлено, что ковалентная модификация полимера F127 фолиевой кислотой и последующее получение мицеллярных нанокомпозитов на его основе изменяет их специфичность по отношению к раковым клеткам. В частности, цитотоксичность обоих комплексов, загруженных в фолат-конъюгированные наночастицы, наибольшая для линии клеток MCF-7, что хорошо согласуется с данными по клеточному поглощению и внутриклеточной генерации АФК. При этом для комплекса с октильными заместителями достигается высокая селективность, что также может быть связано с его замедленным высвобождением из наноносителей по сравнению с изопропил-замещенным комплексом. Таким образом, комплексы меди(I) с 1,5,3,7-диазадифосфациклооктановыми лигандами образуют устойчивые агрегаты в водных средах, что способствует сохранению их люминесцентных свойств и является предпосылкой генерации активных форм кислорода как в водных растворах, так и во внутриклеточном пространстве. При этом, наиболее перспективными для антираковой терапии являются метил- и изопропил-замещенные производные данных комплексов за счет формирования небольших агрегатов, проникающих в клетки по механизму эндоцитоза. Включение данных комплексов и их октил-замещенного аналога в мицеллярные наноструктуры позволяет сделать более эффективным их клеточное проникновение. В то же время, высокая устойчивость нанокомпозитов, образующихся при загрузке октил-замещенного комплекса в мицеллярные наноструктуры, препятствует его внутриклеточной ХТ активности. Однако, таргетирование мицеллярных наноструктур фолатами позволяет достичь высокой (выше 6) антираковой специфичности по отношению к раковым клеткам линии MCF-7 именно для октил-замещенного комплекса.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Создание новых подходов и методов лечения социально значимых онкологических заболеваний относятся к важнейшим задачам обеспечения социального развития РФ. Создание препаратов – тераностиков, сочетающих возможности диагностики и терапии рака является одним из самых перспективных направлений. Таким образом, разработанные в ходе выполнения проекта эффективные протоколы создания стабильных биосовместимых наночастиц «ядро-оболочка», способных эффективно проникать в клетки, локализоваться в клеточных органеллах, выступая в качестве контрастных агентов за счет люминесценции металлосодержащего «ядра», и вызывать апоптоз опухолевых клеток за счет постепенного высвобождения металлокомплекса, генерирующего окислительный стресс, могут быть использованы для решения этой задачи.