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 18-73-00201
НазваниеВодорастворимые пиллар[n]арены - новый тип макроциклических рецепторов для реверсии нервно-мышечной блокады
РуководительШурпик Дмитрий Николаевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
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 словаПиллар[5]арен, пиллар[6]арен, наноразмерные агрегаты, коллоидные системы, супрамолекулярная химия, самосборка, комплексы включения, нервно-мышечная блокада, наноконтейнеры, макроциклические соединения, полифункциональные соединения, синтез, молекулярное распознавание.
Код ГРНТИ31.21.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одной из основных проблем современной анестезиологии является остаточный нейромышечный блок, возникающий из-за действия на организм пациента миорелаксантов. Последствием нейромышечной блокады может служить ухудшение респираторного ответа на гипоксемию, дисфункция глотания, что существенно повышает риск аспирации и послеоперационных легочных осложнений и в конечном итоге может привести к смерти пациента. Поэтому конструирование новых доступных, нетоксичных антагонистов миорелаксантов, способных надежно устранять глубокий остаточный нейромышечный блок, является важным шагом в развитии современной химии, медицины и биологии. В настоящее время в решении проблемы остаточной блокады используется серия препаратов ингибиторов холинэстеразы, таких как неостигмин, а также препарат на основе γ-циклодекстрина – сугаммадекс. Стоит отметить, что использование сугаммадекса сразу после операции для реверсии нейромышечного блока, выявило его явные преимущества по сравнению с неостигмином, так как его действие основано на ингибировании действия миорелаксантов путём формирования супрамолекулярных комплексов по принципу псевдоротаксана. Однако сугаммадекс имеет ряд существенных недостатков, а именно эффективность только в случае рокурония и векурония, применяемых в качестве миорелаксантов среднего действия, а также использование в качестве исходного соединения γ-циклодекстрина, синтезируемого с не большим выходом и тяжело поддающегося функционализации, что в конечном итоге приводит к удорожанию конечного продукта. Таким образом, разработка новой молекулярной строительной платформы для конструирования, нетоксичных супрамолекулярных систем управления нервно-мышечной блокадой, способных ингибировать действие миорелаксантов стероидной и холиновой природы путём формирования комплексов включения является важным шагом в развитии современной фундаментальной и прикладной науки. Для развития подходов к конструированию новых, коммерчески доступных, нетоксичных супрамолекулярных систем управления нервно-мышечной блокадой планируется установление закономерностей «структура-свойство» производных принципиально нового класса макроциклических соединений – пиллар[n]аренов (где n = 5, 6) – представителей пара-циклофанов, позволяющих достичь оптимальной селективности связывания агента (соответствующего миорелаксанта) путём изменения структуры и заряда макроциклического рецептора. В рамках проекта будет осуществлена пошаговая функционализация макроциклического остова различными по полярности фрагментами, содержащими амидные, аминогруппы, тиоэфирные и карбоксильные фрагменты, что позволит варьировать растворимость целевых продуктов и даст возможность работать в условиях, ранее недоступных для классических парациклофанов, в частности, в буферных системах. Процесс инкапсуляции миорелаксантов, а также возможная самоассоциация и агрегация замещённых пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов в присутствии субстратов будут изучены с помощью метода динамического светорассеяния и методами диффузионной спектроскопии ЯМР DOSY. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии будут установлены размеры и морфология получаемых наноконтейнеров. Методами ЯМР, УФ, флуоресцентной спектроскопии будет изучена способность синтезированных макроциклов образовывать комплексы включения с модельными соединениями холиновой структуры такими как: ацетилхолин гидрохлорид, декамитоний бромид. Также методами УФ, одномерной и двумерной ЯМР спектроскопии будет изучена способность синтезированных водорастворимых пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов взаимодействовать с рядом миорелаксантов, применяемых в медицинской практике, таких как: миорелаксант ультракороткого действия (сукцинилхолин), миорелаксант среднего действия (векурониум бромид, рокурониум бромид). Реализация предлагаемого проекта откроет возможность создания новой, коммерчески доступной, нетоксичной системы управления нервно-мышечной блокадой, что найдет свое применение в персонализированной медицине, высокотехнологичном здравоохранении.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидаются следующие результаты:
1. Будут разработаны оригинальные методики синтеза новых деказамещенных водорастворимых пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов, содержащих амидные, аминогруппы, тиоэфирные и карбоксильные фрагменты. Состав и строение всех синтезированных пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов будут охарактеризованы комплексом физических методов: ИК-спектроскопией, спектроскопией ЯМР на ядрах 1H и 13С, масс-спектрометрией и данными элементного анализа. Пространственная структура синтезированных макроциклов будет изучена комплексом двумерных ЯМР экспериментов, таких как: ROESY, NOESY, TOCSY, COSY.
2. Методами ЯМР и УФ-спектроскопии будет изучена способность синтезированных водорастворимых пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов
взаимодействовать с модельными соединениями холиновой структуры.
3. Будут установлены характеристики нековалентной самосборки синтезированных водорастворимых пиллар[5]аренов и пиллар[6]аренов в зависимости от строения макроцикла а так же в присутствии и отсутствии модельного субстрата (модельного миорелаксанта). Процесс самоассоциации и агрегации пиллараренов будет изучен с помощью метода динамического светорассеяния и диффузионными экспериментами 2D ЯМР DOSY. Будут установлены зависимости размера, формы и заряда получаемых супрамолекулярных ассоциатов от функционализации макроциклической платформы различными заряженными фрагментами. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии будут установлены размеры и морфология получаемых наноконтейнеров.
4. Будет изучена способность полученных рецепторов взаимодействовать с терапевтическими миорелаксантами: сукцинилхолин, векурониум бромид, рокурониум бромид. С помощью УФ-, ЯМР и флуоресцентной спектроскопии будут определены структура и стехиометрия образующихся комплексов включения. Также с помощью УФ-спектроскопии будут определены константы ассоциации образующихся комплексов.
5. Разработаны новые, коммерчески доступные, нетоксичные супрамолекулярные системы управления нервно-мышечной блокадой.
Разработка молекулярной системы управления нервно-мышечной блокадой, позволит:
- повысить разнообразие супрамолекулярных рецепторов, применяемых в анестезиологической практике, для восстановления мышечного тонуса в послеоперационный период.
- разработать новые технологии синтеза рецепторных структур медицинского назначения, обеспечивающих высокую регулярность их строения, гидрофильно-гидрофобный баланс и взаимодействие с основными применяемыми в медицинской практике миорелаксантами, а также возможности регуляции указанных свойств путем внесения структурных элементов в состав супрамолекулярных контейнеров;
- создать и протестировать на реальных объектах медицинской практики новые молекулярные системы, включающие синтезированные материалы как синтетические рецепторные структуры с высокой избирательностью связывания субстратов.
- повысить эффективность и придать универсальность применения ряда новых рецепторных структур, ингибирующих длительное действие нейромышечной блокады.
Найденные решения в задачах конструирования новых замещённых пиллараренов и их применения существенно расширят возможности практического использования данного класса рецепторных структур. Помимо этого, новые синтетические решения по получению супрамолекулярных систем на основе макроциклических структур с функциями распознавания соединений, блокирующих нервно-мышечную проводимость, будут способствовать развитию средств медикаментозного восстановления мышечного тонуса, а также найдут применение в персонализированной медицине, высокотехнологичном здравоохранении и технологиях здоровьесбережения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Поставленные в Проекте цели на 2018 - 2019 годы полностью достигнуты. В ходе выполнения проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Были разработаны оригинальные методики синтеза новых производных пиллар[5]арена. Для дальнейшего исследования были синтезирована амфифильные производные, содержащие фрагмент монотерпенового спирта – гераниола, а в роли гидрофильной части – третичная аминогруппа, которой в дальнейшем будет модифицирована макроциклическими фрагментами. Макроциклизацией с последующим тиолированием был получен водорастворимый пиллар[5]арен, содержащий 10 тиоэфирных и карбоксилатных фрагментов. Методами UV-vis, ЯМР- и флуоресцентной спектроскопии показано связывание водорастворимым пиллар[5]ареном миорелаксанта средней продолжительности действия – рокуроний бромида. Стехиометрия комплекса составила 1:1, константа ассоциации комплекса с рокуронием составляет 4500 М-1. Впервые показана способность водорастворимых пиллар[5]аренов, не содержащих флуорофорных фрагментов, к флуоресценции. Методом флуоресцентной спектроскопии было продемонстрировано, что рост концентрации rocuronium bromide приводит к изменению структуры его комплекса с пилларареном. Структура комплекса дополнительно была подтверждена методами квантово-химических расчётов (PM6, DFT B3LYP / 6-311G*).
Публикации
1. Ахмедов А. А., Шурпик Д. Н., Племенков В. В., Стойков И. И. Water-soluble meroterpenes containing an aminoglyceride fragment with geraniol residues: synthesis and membranotropic properties Mendeleev Communications, 29, 29–31 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2019.01.008
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Поставленные в Проекте цели на 2019 год полностью достигнуты. В ходе выполнения проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Таким образом, в ходе реализации Проекта были разработаны оригинальные методики получения функционализированных пиллар[5, 6]аренов, содержащих тиаэфирные, карбоксилатные, сульфокислотные фрагменты и флуоресцеиновый фрагмент, а также первичную и вторичную аминогруппу. Структуры всех полученных соединений были охарактеризованы комплексом физических методов: одномерной ЯМР 1H и 13С, двумерной ЯМР 1H-1H NOESY, ИК спектроскопией, а состав подтвержден масс-спектрометрией и данными элементного анализа. Структура макроциклического синтона 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-2-меркаптоэтоксипиллар[5]арена была подтверждена данными рентгеноструктурного анализа. Впервые комплексом методов (спектроскопией ЯМР, УФ и флуоресцентной спектроскопией) показана способность пиллар[5]аренов, содержащих тиаэфирные, карбоксильные фрагменты и флуоресцентную метку селективно связывать широко используемый миорелаксант – рокуроний бромид, что делает возможным использование этих соединений в качестве флуоресцентных хемосенсеров на рокуроний бромид. Стоит отметить, что синтезированный пиллар[6]арен, содержащий тиаэфирные, карбоксильные фрагменты, образует также устойчивые комплексы с сукцинилхолином (Касс = 1800 М-1), что снижает его селективность в ряду миорелаксантов. Пиллар[5]арен, содержащий тиаацетатный фрагмент, не показал способности взаимодействовать с сукцинилхолином и рокуроний бромидом. Это может быть связано с недостаточной длиной заместителей, необходимых для формирования макроциклической «псевдо-полости» пиллар[5]арена. Также для 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(тиаэтансульфонат)этокси]- пиллар[5]арена и 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35,38,41- додека -[(пропионатсульфанедил)этокси)]-пиллар[6]арена по данным УФ-спектроскопии наблюдется взаимодействие с соединениями стеранового ряда - гидрокортизон ацетатом и бетаметазон дипропионатом, что окажет серьёзное мешающее действие на взаимодействие пиллараренов с рокуроний бромидом с учётом количества соединений стероидного типа в организме человека. Наличие взаимодействия между 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(тиаэтансульфонат)этокси]-пиллар[5]ареном и соединениями стеранового ряда позволило нам выдвинуть гипотезу, что подобные комплексы макроцикл/липофильный гость могут образовывать супрамолекулярные амфифилы. В качестве таких липофильных молекул – гостей были выбраны витамины группы D (Холекальциферол (витамин D3) и Эргокальциферол (витамин D2)). Так впервые методом УФ-спектроскопии показана способность пиллар[5]арена, содержащего тиасульфатные фрагменты, взаимодействовать с витамином D3. Методом изомолярных серий была установлена стехиометрия ассоциата макроцикл/витамин D3 =1:2 (lgKass = 2.2). Методом сканирующей электронной микроскопии было показано, что ассоциаты образуют в водных растворах супрамолекулярные полимеры, способные формировать наноструктурированные пористые пленки со средним диметром стенки 53 нм.
Среди синтезированных соединений можно выделить ряд пиллар[5]аренов, способных селективно взаимодействовать с рокуроний бромидом. Однако применение пиллар[5]аренов, содержащих флуоресцентные метки, в качестве терапевтических препаратов затруднительно, вследствие их сложного получения. Данные соединения могут быть использованы в составе тест-систем для обнаружения и мониторинга содержания рокуроний бромида в плазме/крови человека. Из всех синтезированных макроциклов деканатриевая соль 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(пропионатсульфанедил)этокси]-пиллар[5]арена может быть получена в достаточно больших количествах, что делает её идеальным кандидатом для медикаментозного применения. Было показано, что деканатриевая соль 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(пропионатсульфанедил)этокси]-пиллар[5]арена не влияет на жизнеспособность клеток лёгкого и печени человека до 2000 мкг / мл, также соединение смогло снизить цитотоксичность, вызванную рокуроний бромидом, в большей степени, чем используемый в медицине препарат – Сугаммадекс. Впервые продемонстрировано, что синтезированная деканатриевая соль 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(пропионатсульфанедил)этокси]-пиллар[5]арена в концентрации 10 мкМ аналогично Сугаммадексу вызывала восстановление силы сокращения мышц после нервно-мышечной блокады. Однако период времени, необходимый для возобновления сокращения (735 ± 105 с), был значительно более длительным, чем у Сугаммадекса (255 ± 57 с).
Результаты проделанной работы были освещены в прессе на информационном ресурсе в сети Интернет (https://indicator.ru/medicine/protivoyadie-ot-miorelaksantov-03-12-2019.htm)
Публикации
1. Шурпик Д. Н., Мостовая О. А., Севастьянов Д. А., Ленина О. А., Сапунова А. С., Волошина А. Д., Петров К. А., Ковязина И. В., Крэг П. Дж., Стойков И. И. Supramolecular neuromuscular blocker inhibition by a pillar[5]arene through aqueous inclusion of rocuronium bromide Organic & Biomolecular Chemistry, 17, 46, 9951-9959 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1039/C9OB02215E
2. Шурпик Д.Н., Александрова Ю.И., Зеленихин П.В., Субакаева Е.В., Крэгг П.Д., Стойков И.И. Towards new nanoporous biomaterials: self-assembly of sulfopillar[5]arenes with vitamin D3 into supramolecular polymers Organic & Biomolecular Chemistry (OBC), - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1039/D0OB00411A
3. - Создано «противоядие» от миорелаксантов Indicator, 03 ДЕКАБРЯ 2019 В 18:48 Рубрика МЕДИЦИНА (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Если не касаться затрат на коммерческую реализацию готового продукта, то основная часть стоимости применяемого, на сегодняшний день в западной медицине, препарата для снятия нервно-мышечной блокады - Сугаммадекса складывается из стоимости γ-циклодекстрина, который значительно превосходит по стоимости от α- и β-циклодекстрин. В свою очередь конечная структура пиллар[5]арена синтезируется из коммерчески более доступного 2,2′-(1,4-фенилендиокси)диэтанола, который приблизительно 7.6 раза дешевле γ-циклодекстрина. Учитывая материалы на синтез макроциклической платформы 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-2-бромэтоксипиллпр[5]арена (дихлорэтан-растворитель, параформ и BF3(Et2O)-катализатор макроцилизации) получается продукт как минимум в половину дешевле γ-циклодекстринового аналога.
Дальнейшая функционализация 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-2-бромэтоксипиллпр[5]арена проходит с высокими выходами, что может быть реализовано в промышленном масштабе. Низкая токсичность и аналогичная Сугаммадексу эффективность реверсии нервно-мышечной блокады целевым 4,8,14,18,23,26,28,31,32,35-дека-[(пропионатсульфанедил)этокси)]-пиллар[5]ареном делает его потенциальным кандидатом для дальнейших доклинических и клинических исследований. Успешное прохождение этих этапов позволит получить отечественный, коммерческидоступный препарат с высокой эффективностью и низкими побочными эффектами для послеоперационной терапии.