Фотоактивируемые пролекарства Pt(IV) для терапии злокачественных новообразований

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 22-15-00182

НазваниеФотоактивируемые пролекарства Pt(IV) для терапии злокачественных новообразований

Руководитель Красновская Ольга Олеговна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

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

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-501 - Фармацевтическая химия, фармакология (в том числе клиническая фармакология)

Ключевые слова Пролекарство, фотоактивация, активные формы кислорода, контролируемое высвобождение, цисплатин

Код ГРНТИ31.27.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Платиносодержащие противоопухолевые средства являются представляют собой эффективные противоопухолевые препараты, используемые в 50% всех клинически применяемых химиотерапевтических схем. [Dalton Trans., 2010, 39, 8113-8127] Однако, координационные соединения Pt(II) легко подвергаются неселективному лигандному замещению на пути к месту опухоли, при этом, примерно 90% от введенного цисплатина дезактивируется в кровотоке за счет необратимого связывания с альбумином и другими белками плазмы, и всего лишь 1% (или меньше) связывается с намеченной мишенью, ядерной ДНК, что приводит к быстро возникающей лекарственной резистентности и тяжелым побочным эффектам от терапии. [Anti-Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 3– 18] Одна из стратегий преодоления широко известных недостатков препаратов на основе Pt(II) заключается в использовании комплексов Pt(IV) в качестве пролекарств. Комплексы Pt(IV) имеют низкоспиновую октаэдрическую геометрию d6, и обладают потенциалом для преодоления многих проблем, связанных с платиносодержащими химиотерапевтическими средствами. [J. Med. Chem., 2007, 50, 3403–3411]. Однако, большинство разработанных пролекарств Pt(IV) быстро восстанавливается в сыворотке крови, и активность большинства пролекарств Pt(IV) почти полностью снижается во внеклеточной среде, и их потенциальные преимущества перед препаратами Pt(II) теряются [Cancer Res., 1990, 50, 4539–4545] Для разработки эффективных пролекарств Pt(IV), помимо продуманного дизайна, обеспечивающего высокое внутриклеточное проникновение препарата и его эффективность in vitro, требуется проведение экспериментов, показывающих реальный метаболизм препарата в клетке, сыворотке крови и живой системе. Также, как при использовании препаратов Pt(II), так и при использовании пролекарств Pt(IV) проблема общей токсичности препаратов ввиду низкой селективности к здоровым тканям остается на первом месте; в настоящий момент, актуальной задачей является разработка физико-химических средств контролируемого высвобождения препаратов в зоне злокачественного новообразования, не затрагивающего здоровые ткани. В настоящем проекте предложено решение проблемы низкой селективности платиновых препаратов, заключающееся в контролируемом высвобождении препаратов Pt(II) из пролекарств Pt(IV) под внешним физико-химическим воздействием. Суть подхода заключается в том, что в координационное окружение Pt(IV) вводят фотопоглотитель, способный под действием света переносить электроны к центру Pt(IV), тем самым ускоряя восстановление пролекарств Pt(IV) и высвобождение цитотоксических метаболитов Pt(II). Кроме того, введение фотоактивных веществ в координационное окружение Pt(IV) позволит сочетать в одном препарате как пролекарство Pt(IV), способное контролируемое высвобождать активный метаболит Pt(II) при облучении, так и фотосенсибилизатор – агент для фотодинамической терапии. Сочетание в одном препарате контролируемо высвобождаемого пролекарства Pt(IV) и агента для фотодинамической терапии представляет собой инновационных подход; дизайн и синтез предложенных пролекарств позволяет решить как проблему низкой селективности платиновой терапии, так и клеточной резистентности. Одним из ключевых ограничений применения фотодинамической терапии является ее низкая эффективность в гипоксичных условиях. Для решения проблемы низкой эффективности ФДТ в условиях гипоксии, в настоящем проекте впервые предложена разработка несимметричных коньюгатов Pt(IV), содержащие как фотосенсибилизирующие, так и кислородмиметические фрагменты в составе одной молекулы. Таким образом, в аэробных условиях препараты будут работать и как химиотерапевтические, и ФДТ агенты; в то время как в условиях гипоксии по-прежнему будут высвобождать цитотоксический агент под действием возбуждающего излучения. Контролируемое высвобождение пролекарств Pt(IV) подход позволит снизить цисплатин-резистентность опухолевых клеток, а также увеличить значительно селективность терапии к опухолевым клеткам. Кроме того, увеличение липофильности препаратов Pt(IV) по сравнению с исходными препаратами Pt(II) позволит значительно увеличить внутриклеточное проникновение химиотрапевтических средств, тем самым, увеличивая их эффективность, снижая побочные эффекты вследствие снижения эффективной дозы. При лечении глубоко расположенных опухолей фотосенсибилизатор должен поглощать свет в фототерапевтическом окне от 750 до 900 нм. Эти длины волн эффективно проникают в ткани, и обеспечивают эффективную передачу энергии от триплетного возбужденного состояния фотосенсибилизатора к молекулярному кислороду в основном состоянии. [J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2695–2702]. В настоящем проекте предложен дизайн пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, поглощающих в околокрасной области >600нм. Данных подход позволит получить препараты, пригодные для терапии глубоколежащих опухолей. Таким образом, настоящий проект посвящен разработке фотоактивируемых пролекарств Pt(IV), способных под действием света высвобождать цитотоксические препараты Pt(II). Разрабатываемые в настоящем проекте препараты представляют собой фотохимиотерапевтические агенты, способные под действием возбуждающего излучения катализировать как выход цитотоксического агента из состава пролекарства, так и генерировать активные формы кислорода вследствие взаимодействия триплетных состояний фотопоглотителей с молекулярным кислородом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Спектор Д.В., Павлов К.Г., Белоглазкина Е.К., Красновская О.О. Recent Advances in Light-Controlled Activation of Pt(IV) Prodrugs MDPI, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(23), 14511 (год публикации - 2022)
10.3390/ijms232314511

Публикации

1. Cпектор Даниил Викторович, Бублей Анна Анатольевна, Белоглазкина Елена Кимовна, Красновская Ольга Олеговна Пролекарства Pt(IV) как альтернатива препаратам Pt(II): синтез и биологическое действие Российская академия наук, Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН и АНО Редакция журнала Успехи химии, Успехи химии, 2023, 92 (10), RCR5096 (год публикации - 2023)
10.59761/RCR5096

2. Красновская О.О., Акасов Р.А., Спектор Д.В., Павлов К.Г.,Бублей А.А.,Кузьмин В.А., Костюков А.А. и др. Photoinduced Reduction of Novel Dual-Action Riboplatin Pt(IV) Prodrug American Chemical Society, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 10, 12882–12894 (год публикации - 2023)
10.1021/acsami.3c01771

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В третьем году выполнения проекта были разработаны синтетические подходы к получению пролекарств Pt(IV), содержащих в аксиальном цианиновые красители, конденсированные флуорофоры BODIPY, флуорофоры BODIPY, содержащие чувствительные к гипоксии фрагменты, а также фотоактивируемые пролекарства Pt(IV), способные при фотовозбуждении высвобождать два биологически активных фрагмента: цисплатин и дополнительный фармакофор. Было получено 5 новых пролекарств Pt(IV) представляющих собой перспективные агенты фотоактивируемой химиотерапии, фотодинамической терапии и чувствительные к гипоксии агенты. Данные синтетические результаты представляют собой научный задел для получения новых перспективных фотоактивируемых лекарственных средств, аналогов которым не было представлено в литературе. Были исследованы механизмы фотовысвобождения цитотоксических агентов из пролекарств Pt(IV), и установлено влияние природы аксиального лиганда на механизм фотовысвобождения. Были определены интермедиаты, участвующие в реакциях фотовосстановления, а также установлены факторы, влияющие на скорость фотовосстановления пролекарств. Показано, что разработанные пролекарства являются стабильными в отсутствии облучения; отсутствие возможности прямого переноса электрона из состояния S1 на центр Pt(IV) было подтверждено DFT-расчетами, что подтверждает фотостабильность разработанных в ходе выполнения проекта пролекарств и их перспективность. Для разработанных BODIPY, не обладающих флуоресценцией вследствие ИКТ-эффекта, было предложено применение в качестве флуоресцентных сенсоров ионизирующего излучения. Важнейшим результатом третьего года выполнения проекта стала разработка фотоактивируемых наночастиц на основе пролекарств Pt(IV), способных к контролируемому фотовысвобождению цисплатина, являющихся ФДТ-агентами типа I, а также фототермальным агентами и агентами флуоресцентной визуализации опухолевых тканей. Впервые было показало дозозависимое высвобождение цисплатина из наночастиц на основе пролекарства Pt(IV) под действием красного света, а также показано, что они являются ФДТ-агента I типа. Исследование фототермальной эффективности in vivo на мышах BALB/c с привитыми опухолями СT-26 продемонстрировало показало разогрев опухоли до 49°С, а также способность наночастиц к фототермальной и фототермической визуализации опухолей вследствие высокого накопления наночастиц в опухолевой ткани, длительной циркуляции в кровотоке и высокой эффективности. В исследованиях in vivo для получения фототермального эффекта использовалась доза света 0.2 Вт/см2, что является самой низкой дозой по сравнению с используемыми в литературе для аналогичных наночастиц на основе BODIPY (1 Вт/см2 и выше). Полученные результаты представляют собой первый пример тераностических наночастиц на основе фотоактивируемых пролекарств Pt(IV), способных к контролируемому фотовысвобождению цисплатина под действием красного света, фототермальной и фототермической визуализации опухолей, а также являющихся эффективными фототермальными агентами и агентами фотодинамической терапии. Исследование антипролиферативной активности разработанных в ходе выполнения третьего этапа проекта фотопоглотителей и пролекарств Pt(IV) на их основе показало дозозависимую фототоксичность лекарственных средств. Отдельно стоит отметить чрезвычайно высокие индексы фототоксичности PI >1300 и наномолярную эффективность в условиях мягкого облучения (1 Дж/см2), показанные для пролекарств и BODIPY, активируемых зеленым светом. Полученные значения индексов фототоксичности являются одними из самых высоких для ФДТ-агентов на основе BODIPY среди опубликованных на сегодняшний день. Разработанное пролекарство Pt(IV) показало увеличение антипролиферативной активности > 100 раз при облучении зеленым светом. Согласно литературным данным, разработанное пролекарство Pt(IV) Pt-8**, активируемое зеленым светом, является третьим среди описанных по величине светового отклика [Chem, 2019, 5, 3151–3165][ RSC Med. Chem., 2022, 13, 1526–1539]. Также, третий год выполнения проекта был посвящён исследованию противоопухолевой эффектности и биораспределения in vivo разработанного на первом этапе выполнения проекта препарата Рибоплатина. Было показано, что Рибоплатин обладает значительно меньшей токсичностью, чем цисплатин, и не вызывает потери веса мышей при введении доз вплоть до 32 мг/кг. При внутривенном введении Рибоплатин способен накапливаться в опухолях EMT-6 и SK-BR-3, что было подтверждено флуоресцентной визуализацией и ICP-MS оценкой уровня платины в тканях опухоли. Исследование на мышах с ксенографтной опухолью SK-BR-3 показало, что Рибоплатин активно накапливается в опухоли, но не в лёгких и сердце мышей BALB/C nude, и таким образом превосходит ранее опубликованные пролекарства Pt(IV). Предварительное исследование терапевтической эффективности Рибоплатина показало схожую эффективность по сравнению с цисплатином, при уменьшенной токсичности, что подтверждает релевантность создания пролекарств Pt(IV) как более безопасных аналогов клинически используемой химиотерапии. За третий год выполнения проекта публиковано 6 статей в рецензируемых научных журналах, из них три – в журналах первого квартиля.

Публикации

1. Спектор Д.В., Акасов Р.А., Хайдуков Е.В., Демина П.А., Степанов М.Е., Бабаева Г., Покровский В.С., Лапаник А.Д., Наумова А.Д., Лопухов А.В., Клячко Н.Л., Кузьмичев И.А., Семкина А.С., Дубенский А.С., Белоглазкина Е.К., Красновская О.О. Исследование биораспределения двойного пролекарства Pt(IV) на основе цисплатина Рибоплатина методом флюоресцентной визуализации Эко-Вектор (год публикации - 2024)
10.17816/onco636633

2. Спектор Даниил, Владислав Быкусов, Анастасия Жарова, Илья Кузьмичев, Юлия Исаева, Евгений Хайдуков, Екатерина Трифанова, Максим Степанов, Александр Ерофеев, Петр Горелкин, Регина Куанаева, Вита Никитина, Александр Дубенский, Юлия Максимова, Скворцов Дмитрий , Дарья Ипатова, Игорь Родин, Михаил Вокуев, Александр Мартынов, Дмитрий Бунин, Вадим Покровский, Гулалек Бабаева, Тамара Ускова, Максим Абакумов, Елена Белоглазкина, Роман А. Акасов, Ольга О. Красновская Nanoformulation of the Photoactive Cisplatin Prodrug for Combined Photothermal Therapy and Bioimaging American Chemical Society, ACS Appl. Nano Mater. 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX (ASAP) (год публикации - 2024)
10.1021/acsanm.4c04680

3. Спектор Даниил, Бублей Анна, Жарова Анастасия, Быкусов Владислав, Скворцов Дмитрий, Ипатова Дарья, Ерофеев Александр, Горелкин Петр, Ванеев Александр, Мазур Дмитрий, Никитина Вита, Мельников Михаил, Пергушов Владимир, Бунин Дмитрий, Кузьмин Владимир, Костюков Алексей, Егоров Антон , Белоглазкина Елена, Акасов Роман, Красновская Ольга Light-Responsive Pt(IV) Prodrugs with Controlled Photoactivation and Low Dark Toxicity American Chemical Society, ACS Appl. Bio Mater. 2024, 7, 5, 3431–3440 (год публикации - 2024)
10.1021/acsabm.4c00345

4. Даниил Спектор, Владислав Быкусов, Юлия Исаева,Роман Акасов, Анастасия Жарова, Игорь Родин, Михаил Вокуев, Юрий Гришин, Вита Никитина, Александр Мартынов, Владимир Кузьмин, Елена Белоглазкина, Ольга Красновская Green Light Activated Dual-Action Pt(IV) Prodrug With Enhanced PDT activity Wiley, ChemMedChem 2025, e202400786 (год публикации - 2025)
10.1002/cmdc.202400786

5. Никита Лифановский, Даниил Спектор, Антон Егоров, Дмитрий Мазур, Анна Бублей, Александр Белоусов, Михаил Климович, Алексей Костюков, Мария Колыванова, Елена Белоглазкина, Владимир Кузьмин, Ольга Красновская, Владимир Морозов On the optical response of novel coumarin-fused NIR BODIPY dyes to X-rays Pergamon Press Ltd., Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy Volume 326, 5 February 2025, 125227 (год публикации - 2024)
10.1016/j.saa.2024.125227

6. Д. В. Спектор, Д. С. Абрамчук, В. В. Быкусов, А. О. Жарова, Е. С. Егорова, А. С. Воскресенская, А. Р. Оловянишников, И. А. Кузьмичев, А. А. Бублей, Р. Л. Антипин, Е. К. Белоглазкина, О. О. Красновская BODIPY: синтез, модификация, применение в сенсорике и биомедицине Turpion - Moscow Ltd. , Russ. Chem. Rev., 2024, 93 (10) RCR5136 Успехи химии, 2024, 93 (10), RCR5136 (год публикации - 2024)
10.59761/RCR5136

7. Даниил Спектор, Роман Акасов, Дмитрий Мазур, Виталий Рознятовский, Юрий Гришин, Елена Белоглазкина, Ольга Красновская Novel Pt(IV) prodrugs with tetraacetylriboflavin axial ligand and enhanced light-induced toxicity Elsevier (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
В результате выполнения проекта созданы перспективные фотоактивируемые лекарственные средства, представляющие несомненный интерес для медицинской химии, фармакологии и онкологии. В результате реализации проекта разработаны несколько препаратов, не имеющих аналогов в мировой литературе (фотоактивируемые лекарственные средства), такие как фотоактивируемые зеленым светом пролекарства Pt(IV) с ФДТ-активностью, коньюгаты цисплатина с Рибофлавином, а также способные к фотоиндуцированному высвобождению цисплатина тераностические наночастицы на основе фотоактивируемых пролекарств Pt(IV).