Аннотация результатов, полученных в 2014 году
За первый год работы по проекту было получено более 30 новых кластерных комплексов молибдена и рения общей формулой [{M6Q8}L6] (M – Mo, Q – Cl, Br, I; M – Re, Q – S, Se; L – органический лиганд, содержащий функциональную группу (или группы): -NH2, -OH, -COOH, -CONH2, -CH=CH2). Наличие таких функциональных групп в лигандах L позволяет вовлекать данные кластерные комплексы в реакции конъюгации с различными биомолекулами, выступающими в качестве молекул-транспортеров (полипептиды, белки, олигонуклеотиды или полисахариды). Все полученные соединения были охарактеризованы набором современных высокоинформативных методов, включающих в себя спектроскопию ядерного магнитного резонанса, колебательную и электронную спектроскопии, масс-спектрометрию, методы рентгеновской дифракции, в том числе и на монокристаллах и т.д. С целью выявления среди полученных кластерных комплексов наиболее перспективных соединений для систем биовизуализации и/или агентов для фотодинамической терапии (ФДТ) особое внимание было уделено исследованию фотофизических характеристик, включая фотосенсибилизационные свойства. Таким образом, было определено, что наиболее перспективными соединениями на эту роль являются водорастворимые кластерные комплексы рения, содержащие в своем составе кластерное ядро {Re6Se8}2+ и терминальные лиганды на основе пиридинов и фосфинов с функциональными группами -NH2 и -OH. Это обуславливается высокой стабильностью и относительной легкостью получения таких кластерных комплексов. С другой стороны, наилучшими с точки зрения биовизуализации и ФДТ являются комплексы молибдена, содержащие в своем составе кластерное ядро {Mo6I8}4+, однако такие комплексы не отличаются высокой стабильностью в водных растворах. В ходе работ в рамках проекта был получен набор стабильных водорастворимых веществ содержащих в своем составе кластерный фрагмент {Mo6I8}4+ на основе водорастворимых производных полистирола, однако в результате химических превращений произошло практически полное элиминирование люминесцентных свойств, что не позволяет развить данное направление. Наиболее перспективным направлением по получению стабильных веществ на основе {Mo6I8}4+ в водных системах является включение кластерных комплексов молибдена в различные полимерные матрицы. Для определения наиболее подходящей матрицы было синтезировано более 200 новых веществ на основе кластерных комплексов молибдена и матриц различной природы, типа диоксида кремния, диоксида титана, полистирола, полиметилметакрилата и их производных, а также пористых металл-органических координационных полимеров (МОКП). В ходе исследований было определено, что наиболее перспективными матрицами являются диоксид кремния, полиметилметакрилат и МОКП. Полученные материалы на основе таких носителей и кластерных комплексов молибдена проявляют наибольшие показатели фотофизических характеристик и, кроме того, при получении их в виде наночастиц диаметром не более 50 нм, способны создавать устойчивые коллоидные дисперсии в воде с сохранением необходимых фотофизических характеристик. Для наиболее перспективных кластерных комплексов и материалов на их основе были изучены способность проникать через клеточную мембрану, а также темновая и фотоиндуцированная цитотоксичность на человеческих клетках рака гортани Hep2. Было показано, что полученные вещества не проявляют значительного токсического действия при обычных условиях, но являются высокотоксичными при световом облучении. Такое поведение показывает их эффективность в качестве фотосенсибилизаторов для ФДТ. Также, отрабатывались методики получения конъюгатов кластерных комплексов молибдена и рения и наноразмерных материалов на их основе с различными биомолекулами. В результате этих работ были полностью сформированы протоколы конъюгаций различных функционализированных кластерных комплексов и их производных с биомолекулами. Были получены биоконъюгаты кластерных комплексов с интерфероном-гамма, фрагментированной двухцепочечной ДНК человека и антителами к рецепторам эпидермального фактора роста Her2. В данных биоконъюгатах были реализованы 2 различных типа конъюгации: физосорбция и ковалентное взаимодействие. За первый год работы было опубликована статья в журнале Inorganic Chemistry (ИФ – 4,794) и одна статья находится на рецензировании в Journal of Inorganic Biochemistry. В настоящее время, две новые статьи находятся на стадии написания. Результаты работы докладывались на 3 международных конференциях: IVth International Workshop on Transition Metal Clusters, XXVI Международная Чугаевская конференция по координационной химии и 8th International Symposium on Technetium and Rhenium: Science and Utilization. Сведения о данном проекте опубликованы на сайте Научно-исследовательского института клинической и экспериментальной лимфологии по адресу: http://niikelsoramn.ru/novosti/62/

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В ходе выполнения работы по проекту в этом году основные усилия были направлены на получение кластерных комплексов и материалов, проявляющих наиболее высокие фотосенсибилизирующие свойства. Так, была изучена эффективность генерации синглетного кислорода рядом кластерных комплексов молибдена и рения, а также нано- и микрочастиц на основе диоксида кремния. Было показано, что комплексы молибдена проявляют намного более высокую степень конверсии синглетного кислорода, нежели комплексы рения. Это согласуется с существенно более высокими квантовыми выходами фотолюминесценции кластерных комплексов молибдена по сравнению с рениевыми. Что касается материалов, то большую эффективность показали наноразмерные частицы на основе диоксида кремния, что связано с большей площадью поверхности, позволяющей контактировать с большим количеством молекул кислорода единовременно. Для материалов на основе диоксида кремния были подробно изучены биологические эффекты на человеческих клетках рака гортани Hep2. Было показано, что материалы способны достаточно быстро проникать в клетки и не обладают токсическим действием даже при высоких концентрациях. В тоже время, нами показана высокая токсичность данных материалов при облучении инкубированных ими клеток светом, который является источником возбуждения фотолюминесценции. Данное свойство позволяет рассматривать материалы на основе диоксида кремния для применения в качестве препаратов в фотодинамической терапии. Для повышения эффективности подобных препаратов необходимо обеспечить накопление их в целевых, а именно, в опухолевых клетках. Для этого используются специфические биомолекулы, способные осуществлять адресную доставку препаратов. В роли подобных биомолекул зачастую выступают моноклональные антитела, способные избирательно связываться с конкретными видами молекул. Одним из наиболее эффективных антител, используемых в современной клинической практике, является герцептин, который избирательно взаимодействует с внеклеточным доменом рецепторов эпидермального фактора роста человека 2 типа (Her2). Нами было получено большое количество конъюгатов с герцептином и изучены их биологические свойства. Было показано, что данные конъюгаты способны селективно накапливаться в клетках с гиперэкспрессией Her2/neu. Однако известно, что моноклональные антитела имеют ряд недостатков, самый главный из которых – достаточно большой размер молекулы, который препятствует глубокому проникновению препарата в ткань опухоли. Подобного недостатка лишены одномодальные антитела (или миниантитела), которые гораздо меньше по размеру. В рамках проекта был проведен синтез подобного миниантитела – рекомбинантого одноцепочечного антитела, специфически связывающегося с рецептором эпидермального фактора роста (HER2/neu), и его последующая конъюгация с материалом на основе диоксида кремния. Было показано, что подобные конъюгаты также отличаются низкой токсичностью, а также, что наиболее важно, имеют склонность селективно накапливаться в клетках с гиперэкспрессией Her2/neu, при этом скорость их накопления выше по сравнению с конъюгатами кластерных комплексов с полноразмерными антителами. За второй год работы было опубликовано 2 статьи в журналах Journal of Inorganic Biochemistry (ИФ – 3,444) и Известия Академии наук, серия химическая (ИФ – 0,481). Две статьи приняты к публикации в Journal of Material Chemistry C (ИФ – 4,696) и Polymers for Advanced Technologies (ИФ – 1,757). Кроме того, две новые статьи находятся на стадии написания. Также, результаты работы докладывались на 3 международных конференциях: IX International conference of young scientists on chemistry «Mendeleev 2015» (St. Petersburg, Russia), MedChem-2015 (Novosibirsk, Russia), 45th World Chemistry Congress (Busan, Korea).

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения работы по проекту в этом году основные усилия были направлены на изучение биологических свойств конъюгатов наночастиц диоксида кремния, допированных кластерными комплексами, с антителами (герцептин и одномодальные антитела (миниантитела)) in vivo. Для этого в первую очередь была установлена максимальная безопасная доза для внутривенного введения, после чего была оценена селективность накопления конъюгатов наночастиц с антителами, а также неконъюгированных наночастиц, в опухолевых очагах при внутривенном введении или подкожно в опухоль суспензии наночастиц. При внутривенном введении эксперимент не позволил выявить наночастицы в опухоли, в то время как при подкожном введении вокруг опухоли накапливание наночастиц было зафиксировано. Более того в случае конъюгатов наночастиц с антителами накопление в ткани опухоли происходит более интенсивно, чем для чистых наночастиц. Следует отметить, что, как и в случае с селективностью накопления в клетках с гиперэкспрессией Her2/neu, конъюгаты с рекомбинантными одноцепочечными антителам (миниантителами) имеют большую скорость накопления и лучшую селективность к тканям опухоли, нежели конъюгаты с полноразмерными антителами. Следующим этапом было определения эффективности фотодинамического действия конъюгатов наночастиц in vivo. Так было показано, что уже после первого облучения опухоли после инъекции отмечается очаговая гиперемия и небольшой участок некроза. При последующих процедурах отек и гиперемия снизились, а некроз увеличился. Однако, несмотря на положительные и перспективные результаты, суспензионная форма имеет ряд весомых ограничений препятствующая их дальнейшему применению в качестве фотосенсибилизаторов. Прежде всего, такое ограничение связано с невозможностью введения большой дозы препарата из-за его относительно высокой токсичностью in vivo. В связи с этим, было предложено получить новые материалы на основе кластерных комплексов и водорастворимых, биосовместимых полимеров таких как декстраны и его окисленные формы, содержащие альдегидные группы. Конъюгацию проводили в диметилсульфоксиде смешением растворов (Bu4N)2[{Mo6I8}(NO3)6] и полимера. Так было показано, что с увеличением количества окисленных групп увеличивается количество включенного кластерного комплекса. Также в данных условиях происходит побочная реакция – замещение нитратных лигандов на ДМСО с образованием комплекса [{Mo6I8}(ДМСО)6](NO3)4, который растворим в воде, стабилен при физиологическом pH и обладает хорошими фотофизическими показателями, что будет использовано в дальнейших исследованиях. Для материалов были проведены первичные эксперименты по определению фототоксичности. Было показано, что материалы проявляют фотоиндуцированную цитотоксичность. Другое направление работы было посвящено кислородопроницаемым материалам на основе фторопласта Ф-32Л с кластерными комплексами молибдена. В третьем году работы был получен и характеризован ряд кластерных комплексов с фторсодержащими кислотами для включения во фторопласт, из которых наиболее перспективным для дальнейших исследований был выбран комплекс с перфтороктановой кислотой. Затем была проведена работа по получения материалов на основе фторопласта с кластерным комплексом, начиная с наночастиц и заканчивая пленками и микроволокнами. Во всех полученных материалах было достигнуто большое содержание кластерного комплекса, а также они проявляют яркую, долгоживущую люминесценцию с высокими квантовыми выходами. В заключении стоит отметить работу, посвященную исследованию конъюгатов кластерных комплексов рения с фрагментированной человеческой ДНК. Было исследовано взаимодействие кластерных комплексов с ДНК на модельных объектах – азотистых основаниях (аденин и гуанин) и нуклеозидах (аденозин и гуанозин). Было показано, что кластерные комплексы способны образовывать комплексы с данными молекулами. В дальнейшем будут проведены исследования взаимодействия кластерных комплексов с олигонуклеотидами. За третий год работы было опубликовано 4 статьи в журналах Journal of Materials Chemistry B (ИФ – 4.872), Journal of Materials Chemistry C (ИФ – 5.066), Polymers for Advanced Technologies (ИФ – 1.823) и RSC Advances (ИФ – 3.829). Также, результаты работы докладывались на 4 международных конференциях, а именно International workshop “CLUSPOM-Altay” 2016 on metal clusters and polyoxometallates (Katun, Russia), CLUSPOM-1 (Rennes, France), 42nd International Conference on Coordination Chemistry (Brest, France), The international symposium systems biology and biomedicine (Sbiomed-2016) (Novosibirsk, Russia), Спектроскопия координационных соединений, тезисы докладов XIII Международной конференции (Туапсе, Россия), а также на 1 отечественной конференции V Молодежная конференция по молекулярной и клеточной биологии института цитологии РАН (Санкт-Петербург, Россия).