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 20-13-00089

НазваниеФоторегулируемый транспорт биологически активных и природных молекул с помощью гетероциклических флуорофоров и флуоресцентных наночастиц

РуководительБельская Наталия Павловна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2020 г. - 2022 г. 

Конкурс№45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаЭмиссия, азотистые гетероциклы, флуоресценция, квантовый выход, сдвиг Стокса, хемосенсоры, биосенсоры, биомолекулы, наночастицы, борные комплексы, фототриггеры, фотодиссоциация

Код ГРНТИ31.21.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является дизайн и синтез новых люминесцентных молекулярных курьеров и органических флуоресцентных наноразмерных частиц на основе азотистых гетероциклов, их борсодержащих комплексов и биологически активных или диагностических молекул, сенсоров; изучение фотофизических свойств, фотодиссоциации и перспектив использования полученных молекулярных флуоресцентных биомолекул и наночастиц для адресной доставки при лечении, диагностике социально-значимых заболеваний и изучения клеточных процессов. Направленная доставка активного вещества (это может быть лекарственное средство, гены, природные вещества, молекула-репортер и т.д.) предполагает точечную доставку биомолекулы, диагностической молекулы или сенсора в строго определенное время, подходящее для исследования биологической системы или лечения патологий в медицине. Свет в настоящее время является одним из привлекательных экзогенных воздействий для высвобождения биомолекулы, поскольку он не инвазивен и его воздействие можно осуществить с высокой пространственной и временной точностью. Наибольшую проблему в настоящее время при осуществлении адресной фотодоставки представляет выбор соединения-фототриггера и процесс высвобождения лекарственной или диагностической молекулы из фотокурьера, с помощью дистанционного регулирования. Следует отметить, что использование фоточувствительных защитных групп (PPG) является критическим моментом не только для осуществления адресной доставки лекарств, но и одним из актуальных направлений развития фотохимии, поскольку в последнее время увеличивается интерес к их использованию в синтетической органической химии, биохимии и материаловедении. В качестве фотокомпоненты в новых транспортных системах мы предполагаем использовать флуоресцентные молекулы, или флуоресцентные нано-агрегаты, которые обладают рядом преимуществ и наряду с осуществлением направленного транспорта, позволят визуализировать, осуществлять контроль количества и следить за распределением в пространстве в текущем времени, а также за изменением количества высвобожденных биоактивных молекул в ходе фотодиссоциации. Отличительной особенностью наших исследований является использование оригинальных эффективных флуорофоров, синтезированных на протяжении последних лет в группе. Фотофизические свойства этих флуорофоров, а для некоторых из них и поведение в биологических средах (цитотоксичность, проникновение в клетку и клеточные органеллы, возможность использования в проточной цитометрии) уже изучены. В ходе выполнения проекта будет осуществлен синтез новых молекул-курьеров и наночастиц на основе малых гетероциклических флуорофоров и биологически активных веществ, природных соединений (лекарства, аминокислоты, пептиды, углеводы). Мы планируем изучить их химическое поведение и фотоустойчивость (определение энергии диссоциации) в средах, моделирующих биологические (при биологических значениях рН, температуры и ионной силе раствора), воздействие природных веществ (аминокислоты, азотистые основания, углеводы, и др.) в условиях УФ- и видимого излучения. Контроль за изменением концентрации веществ при фотодиссоциации будет производится с помощью хроматографии (ВЭЖХ), по изменению фотофизических характеристик и при помощи спектроскопии ЯМР. Особое внимание будет уделено изучению механизма фотодиссоциации, определению продолжительности высвобождения биомолекул или диагностического средства, возможности ступенчатого последовательного высвобождения лекарства или диагностического средства для курьеров, содержащих две или более биомолекулы. В результате сравнительного исследования фотофизических свойств в ряду родственных соединений будут установлены основные закономерности поведения полученных курьерных систем в условиях фотолиза, сделаны выводы о влиянии структуры вещества на время высвобождения активной биомолекулы. При выполнении проекта планируется проведение исследования поведения транспортных систем и отдельных компонентов в условиях in vitrо: проникновение через клеточные мембраны, распределение в клетке и дальнейшее их проникновение в клеточные органеллы (с помощью лазерной сканирующей спектроскопии) их локализацию и биосовместимость. Отдельное внимание будет уделено изучению токсичности и биологической активности. Результаты комплексного исследования позволят нам сделать обобщения, которые пополнят арсенал знаний о методах получения новых флуорофоров, выявить закономерности структура – фотофизические свойства, дополнить имеющиеся сведения о проявлении фотофизических явлений в различных средах, включая биологические. На основании полученных данных мы сможем предложить наиболее удобные и эффективные флуорофоры, способные выполнять роль фототриггера для синтеза новых систем адресной доставки, рекомендовать новые молекулы-курьеры, и флуоресцентные наночастицы для дальнейшего продвижения, прогнозировать направления их практического использования в качестве органических светочувствительных или люминесцентных материалов. Все это отвечает современным тенденциям развития органической химии, биохимии, биологии и медицины, и позволяет отметить высокий научный уровень планируемых исследований и их актуальность.

Ожидаемые результаты
1. Будут получены новые уникальные люминесцентные материалы, обладающие настраиваемыми фотофизическими свойствами в зависимости от структуры гетероциклического флуорофора или наночастицы и биомолекулы, регулируемой фотостабильностью, способные проникать через клеточные мембраны и селективно распределяться в клеточных структурах; 2. Выявлены реакции, обеспечивающие получение новых фотолабильных курьерных структур на основе ковалентного связывания гетероциклического флуорофора и биомолекулы, определены оптимальные условия реакций с учетом сохранения биологического фрагмента в неизменном виде; 3. Установлены закономерности фотофизических свойств полученных соединений – структура, фотостабильность – структура, которые позволят осуществлять дизайн новых флуорофоров и молекулярных и наноразмерных фотокурьеров и прогнозировать их поведение в биологических средах; 4. Результаты проведенных исследований углубят и расширят наше понимание основных принципов, составляющих фотофизические процессы в целом, помогут узнать больше о различных путях потери энергии возбужденной молекулой или наночастицей, которые приводят к безызлучательному процессу, на примере новых серий флуорофоров и флуоресцентных наночастиц, предложить модели различных фотоэффектов, реализующихся в том числе в средах, моделирующих биологические; 5. Будут определены перспективы введения двух и более биомолекул в курьерную систему, определены особенности их транспорта, фотодиссоциации, фотофизические и биологические свойства; 6. Обобщение экспериментальных данных и теоретических исследований позволит установить взаимосвязь структурных особенностей, электронного строения и оптических характеристик, и наметить пути их использования для синтеза новых фотоактивных и биологически активных веществ; 7. В результате проведенных исследований будут обнаружены новые химические превращения и разработаны оригинальные и эффективные методы синтеза новых флуоресцентных курьерьерных систем различного строения и конфигурации, будут получены новые данные о химических и физических свойствах этих соединений, предложены различные направления их использования; 8. Реализация предложенных исследований позволит приблизить решение сложных проблем, связанных, в первую очередь, с созданием эффективных, безопасных и доступных средств диагностики и терапии в медицине (биозонды, биомаркеры, биосенсоры, «умные лекарства»), а также создаст новые возможности для изучения функционирования важных биологических объектов и реализации важных биологических процессов на более высоком уровне точности, достоверности и информативности. 9. Будет опубликовано 11 статей в научных журналах, цитируемых базами Scopus и WoS и 15 тезисов Международных и Российских конференций.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью проекта является дизайн и синтез новых люминесцентных молекулярных курьеров и органических флуоресцентных наноразмерных частиц для адресной доставки при лечении и диагностике социально-значимых заболеваний и изучении клеточных процессов. Направленная доставка активного вещества (это может быть лекарственное средство, гены, природные вещества, молекула-репортер и т.д.) предполагает точечную доставку биомолекулы, диагностической молекулы или сенсора и высвобождение его из этой комплексной системы в строго определенное время, подходящее для исследования биологической системы или лечения патологий в медицине. Свет является одним из привлекательных экзогенных (внешних) воздействий для высвобождения биомолекулы, поскольку он не инвазивен и его воздействие можно осуществить с высокой пространственной и временной точностью, т.е. направленностью действия. Наибольшей проблемой при осуществлении такой адресной фотодоставки является выбор соединения-фототриггера (флуорофора) и процесс высвобождения лекарственной или диагностической молекулы из фотокурьера с помощью дистанционного регулирования. Важным фактором осуществления намеченной цели является выбор гетероциклических флуорофоров, которые должны иметь определенные фотофизические характеристики, физико-химические свойства, а также должны иметь заместители или функциональные группы, которые позволяют не только настраивать оптические свойства, но способствовать образованию гибридов, стабильных к фотоизлучению или способных высвобождать под действием света биологически активную молекулу, лекарство, природное соединение. Одним из недостатков многих известных флуорофоров и хромофоров при использовании их для фотолиза курьерных молекул в биологических условиях in vitro является необходимость использования излучения в ультрафиолетовой области спектра и высокая цитотоксичность. УФ-излучение является нежелательным для живых клеток. Решением этой проблемы может быть синтез и использование новых флуорофоров с меньшей энергией возбуждения, которые являются менее опасными для живых организмов, кроме того, свет с большей длиной волны проникает более глубоко в ткани. Отличительной особенностью наших исследований является использование оригинальных эффективных флуорофоров, синтезированных на протяжении последних лет в лаборатории. Фотофизические свойства этих флуорофоров, а для некоторых из них и поведение в биологических средах (цитотоксичность, проникновение в клетку и клеточные органеллы, возможность использования в проточной цитометрии) уже изучены. На первой стадии работы по гранту мы дополнили ряд таких флуорофоров, изучили их поведение в биологических средах и показали, что они проникают через клеточную мембрану и селективно локализуются в клеточных органеллах (лизосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и внешние мембраны). В 2020 году при работе по проекту были синтезированы новые оригинальные гетероциклические флуорофоры с различными фотофизическими характеристиками, обеспечивающими возможность получения фотокурьеров с хорошими фотофизическими свойствами: высоким квантовым выходом, длиной волны поглощения как в ультрафиолетововой, так и в видимой областях спектра. Максимум спектров поглощения обеспечивает возбуждение как в УФ-, так и в видимом диапазоне спектра (340-462 нм) с коэффициентом молярной экстинкции до 43000 М-1 см-1. Эмиссия полученных соединений имеет максимум, расположенный в области от синей до оранжево-красной области спектра (423-565 нм). Флуорофоры показывают значительный сдвиг Стокса (до 174 нм), что является важным свойством для использования их в биологических исследованиях. Квантовый выход флуоресценции меняется значительно в зависимости от структуры соединений (до 95%). Дизайн и синтез флуорофоров проводились таким образом, чтобы они содержали необходимые функциональные группы и заместители (СOOH, OH, NH2, COMe, Me, OMe), удобные для их дальнейшей модификации с целью формирования линкерной системы и связывания с биомолекулами. Среди полученных флуорофоров, которые мы предполагаем в первую очередь использовать в качестве фототриггерной компоненты, следует отметить новые спироциклические азаборининовые комплексы, обладающие яркой зеленой флуоресценцией. Комплексы обладают высокой устойчивостью, что позволит проводить различные химические превращения, для получения фотокурьеров, поглощающие в видимой области и имеющие интенсивную флуоресценцию. Кроме того, метод их синтеза позволяет ввести необходимые функциональные группировки для получения фототриггеров с биомолекулами. Все это позволяет рекомендовать полученные комплексы как перспективные соединения-кандидаты для создания новых коньюгатов с биомолекулой. Структура всех флуорофоров была изучена с помощью спектров ЯМР 1H и 13C, спектры EI-TOF-MS и FTIR-спектры. Пространственное строение, образование внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий (анализа данных РСА). Это позволило объяснить некоторые особенности поглощения и флуоресценции исследуемых веществ. Были изучены оптические свойства флуорофоров в различных по полярности растворителях, а также в смеси растворителей для определения их чувствительности к внешним воздействиям, которые могут изменить их оптические свойства в биологических средах. На основании исследований по сольватохромии были проведены корреляции сдвига Стокса и характеристик растворителей по уравнению Липперта-Матага и Рейнхардта, которые позволили количественно сравнить однотипные серии флуорофоров по их чувствительности к природе растворителей, а также количественно оценить влияние изменения полярности молекул в возбужденном состоянии по сравнению с основным состоянием. Полученные результаты были подтверждены и объяснены с помощью квантово-механических расчетов, проведенных доктором Э. Бенасси. (Shihezi University, China). Геометрия молекул исследуемых соединений в основном состоянии была оптимизирована с помощью теории функционала плотности (DFT) как в вакууме, так и в растворителях (толуол, 1,4-диоксан, THF, DCM, DMSO, MeCN), DMSO). Эффекты растворителя учитывались с помощью модели поляризуемого континуума в формализме интегрального уравнения (IEF-PCM). Определены фотофизические характеристики в основном (GS, S1) и возбужденных состояниях (ES, S1v и S1r) с помощью квантово-механических расчетов. Возбужденные электронные состояния были также исследованы методом DFT (TD-DFT). Использовался функционал CAM-B3LYP в сочетании с базисом ζ 6-311 ++ G **. Спектры поглощения в УФ-видимой области были смоделированы с учетом первых десяти синглетных возбужденных состояний. Проведены исследования, позволяющие оценить и подтвердить реализацию различных оптических феноменов (ICT, AIE, AIEE). При этом использовались и экспериментальные данные (спектральные), и теоретические исследования (квантово-механические расчеты). Так изменение физико-химических характеристик при изменении микроокружения (различные растворители, их смеси, присутствие аналитов) было достоверно объяснено и оценено с помощью изменения электронного распределения ВЗМО и НСМО в возбужденном и основном состоянии и проведен анализ и оценка степени внутримолекулярного переноса заряда (ICT) в различных сериях флуорофоров. Изменение флуоресценции при агрегации (AIEE) тщательно изучалось для каждой группы веществ при использовании растворителей с разной растворяющей способностью (ДМСО-вода, 1,4-диоксан-вода), а также в растворах с различной концентрацией флуорофора. Мы изучили возможность введения функциональных групп для получения фотокурьерных систем с различной фотоустойчивостью. И, в первую очередь, мы проверили возможность конструирования новых фотокурьерных систем с помощью бромацетильного и бензильного линкеров. Мы проверили несколько подходов к введению бромацетильной группы в молекулу флуорофора и определили оптимальный вариант для разных типов гетероциклических соединений. Это открыло путь для развития исследований и получения гибридов флуорофор-биомолекула реакцией алкилирования гидроксигруппы спиртов и кислот (в том числе аминокислот). Была изучена реакция бромирования боковой метильной группы в ароматическом фрагменте флуорофора. Получены новые бромметилпроизводные флуорофоров, большинство из которых не обладает флуоресценцией. Следует отметить, что этот вариант модификации играет особую роль, поскольку бромбензильный фрагмент может быть использован для синтеза гибридного соединения с биомолекулой. Гидролиз бромметилпроизводного после гидролиза с образованием OH-группы, позволит формировать карбонатный или карбаматный мостик, связывающий молекулу флуорофора и биомолекулы. Различная конструкция линкера между флуорофором и биомолекулой позволит варьировать скорость фотолиза. Проведен биологический скрининг флуорофоров, возбуждение которых происходит в видимой области (дигидротиазолопиримидины, 4H-тиено[3,4-d]-1,2,3-триазол-2-ий этано-латы, 2,2-дифтор-1,3,2-оксазаборинин-глицинатов и спиро[бензо[d][1,3,2]диоксаборинин-2,2'-[1,3,2]оксаазаборинин]-6'-ил)тиофенов. Установлено, что все исследованные флуорофоры прекрасно проникают в клетку Vero, окрашивая ее в желтый, зеленый, оранжево-красный цвета и селективно накапливаются в лизосомах, аппарате Гольджи, эндоплазматическом ретикулуме и внешней клеточной мембраны. Фототоксического действия на живые клетки и фоторазрушения красителя не происходит.

 

Публикации

1. Гагарин А.А., Сунцова П.О.,Минин А.С., Поздина В.А., Слепухин П.А., Бенасси Э.,Бельская Н.П. Two Approaches for the Synthesis of Fused Dihydropyridines via a 1,6-Electrocyclic Reaction: Fluorescent Properties and Prospects for Application Journal of Organic Chemistry, 85, 21, 13837-13852 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acs.joc.0c01934

2. Луговик К.И., Канаа А., Бенасси Э., Бельская Н.П. Fluorescent Assembles of 2-Amino-3-cyanothiophenes with Azoles. Design and Peculiar Properties of Absorption and Emission Asian Journal of Organic Chemistry, Vol. 10, Iss. 2, Pages 400-411 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/ajoc.202000663

3. Потти Э, Куприянова О.В., Брандт А.Л., Лапрери Р.Б., Шевырин В.А., Стоув К.П. Serotonin 2A receptor (5-HT2AR) activation by 25H-NBOMe positional isomers: in vitro functional evaluation and molecular docking ACS Pharmacology and Translational science, Vol. 4, Iss. 2, Pages 479-487 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acsptsci.0c00189

4. Агафонова И.А., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Синтез и оптические свойства новых производных 2-арил-[1,2,3]триазоло[4,5-d]пиримидинов Сборник тезисов IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», - (год публикации - 2020)

5. Гагарин А.А., Минин А.С., Бельская Н.П. Реакции пента-2,4-диентиоамида с эфирами ацетилендикарбоновой и пропионовой кислот Сборник материалов международной конференции «Актуальные вопросы органической химии и биотехнологии», c. 340-341 (год публикации - 2020)

6. Луговик К.И., Мотверов М.М., Пузанов З.С., Бельская Н.П. Ансамбли 2-амино-5-ацетилтиофенов с азолами. Оптические свойства Сборник тезисов IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», - (год публикации - 2020)

7. Фомин Т.О., Сафронов Н.Е., Красильников В.А., Бельская Н.П. Синтез и флуоресцентные свойства 4-ароил-5-метилтио-2-арил-1,2,3-триазолов Тезисы докладов XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Уральского федерального университета "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с. 428 (год публикации - 2020)

8. Черненок В.В., Гагарин А. А., Бельская Н. П. Синтез и фотофизические свойства аминобензотриазолов тезисов IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», - (год публикации - 2020)

9. Чернышева Н.В., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Синтез и фотофизические свойства гидроксиарил тиазолов Тезисы докладов XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Уральского федерального университета "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с. 429 (год публикации - 2020)

10. Шляпников А. Л., Гагарин А. А., Бельская Н. П. Синтез и оптические свойства амидов 2,3-дигидро-5Н-тиазоло[3,2-а]пиридинов Сборник тезисов IV Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», - (год публикации - 2020)

11. - Российские ученые предложили контролировать воздействие лекарства на больные ткани с помощью света ТАСС, информационное агентство, - (год публикации - )

12. - UrFU Biologists Work on New Materials for Targeted Drug Delivery UrFU Portal, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Для выполнения намеченной цели и следуя составленному на 2021 год плану, мы проводили исследования по следующей схеме: синтез новых люминофоров на основе полученных в группе гетероциклических флуорофоров, синтез новых фотокурьеров при использовании различных линкеров и биомолекул, изучение механизма и кинетики их фотодиссоциации, изучение биологического поведения в экспериментах in vitro. Основным недостатком фототригерных систем, которые предлагают для создания фотокурьеров для адресной доставки лекарств является жесткая энергия активация, которая может быть небезопасна для живых систем. Мы поставили задачу скорректировать фотофизические свойства используемых флуорофоров и фотокурьеров таким образом, чтобы длина волны поглощения была расположена в видимой области. В соответствии с полученными ранее закономерностями фотофизических свойств и структуры соединения, мы получили серию разнообразных гетероциклических флуорофоров, имеющих максимум поглощения от 400 нм и до 465 нм с голубой, зеленой оранжевой флуоресценцией: В ходе исследований фотофизических свойств впервые синтезированных 1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидинов, содержащих ССl3-группу было обнаружено, что для них характерно фотопревращение при облучении УФ-светом, которое привело к значительному увеличению интенсивности эмиссии до 90,1–98,6%. Масс-спектрометрические эксперименты и квантово-химические расчеты подтвердили, что эти соединения претерпевают фототрансформацию за счет гомолитического разрыва связи C–Cl и образования 2H-1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидин-5-карбонилхлоридов, легко реагирующих с N-, S- и O-нуклеофилами, включая производные аминокислот (например, глицин и цистеин) в мягких условиях. Некоторые из этих соединений были выделены и охарактеризованы комплексом спектральных методов. Кинетические исследования позволили определить константы скорости фототрансформации этих флуорофоров в зависимости от структуры и используемого растворителя. Биологические исследования in vitro с помощью конфокального лазерного микроскопа установили, что 2H-1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидины проникают в клетку и избирательно накапливаются в клеточной мембране (предположительно в билипидном слое), а также в аппарате Гольджи и эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Генерация активного интермедиата (2H-1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидин-5-карбонилхлорида) при облучении 2H-1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидинов в клеточных компартментах может привести к взаимодействию флуорофора и биомолекулы (пептид, аминокислота и т. д.) и формированию новой гибридной структуры. Такие процессы, безусловно, интересны и требуют дальнейшего исследования, так как они могут использоваться для изучения биологических систем или воздействия на патогенные клетки. Кроме того, 2H-1,2,3-триазоло[4,5-d]пиримидины могут быть использованы в качестве флуоресцентных красителей для биологии, поскольку маркеры аппарата Гольджи и ЭР маркеры, как правило, дороги или труднодоступны из-за их сложной структуры. В ходе выполнения проекта в 2021 году мы разработали и синтезировали салицил-спироборатные-комплексы (ССБ) на основе β-кетоимината с различными заместителями в ароматических циклах. Мы исследовали геометрические, электронные и спектральные свойства новых комплексов в основном (GS) и возбужденном электронном состоянии (ES) и продемонстрировали их превосходные фотофизические характеристики. B 2021 году мы расширили набор реакций и провели более интенсивные исследования по синтезу гибридных структур, содержащих «бензильный», «карбаматный» и «карбонатный» линкер. Поскольку карбоксильная группа это одна из наиболее распространенных функций используемых для фоторегулируемой доставки лекарственных и диагностических средств, мы провели более детальные исследования, связанные с получением флуорофора, содержащего бензильный линкер и получили серию фотокурьеров, на основе различных ароматических карбоновых кислот, биомолекул, содержащих карбоксильную группу, а также аминокислот. Для изучения этого варианта связывания флуорофора и биокомпоненты, мы использовали серию модельных соединений (бензойная кислота и ее 4-нитро, 4-хлор- и 4-метокси-замещенные), а также кофейновую, салициловую кислоту и Boc-защищенные аминокислоты (глицин, GABA). Фотофизические свойства полученных фотокурьерных систем были изучены в различных по природе органических растворителях, а также смесях ацетонитрил-вода (λmax = 362-384 нм коэффициент молярной экстинкции ε = 17500-25300, λem = 472-521и QY до 29% и значительный сдвиг Стокса SS = 100-142 nm). Таким образом, максимум поглощения полученных эфиров лежит в области, достаточно близкой к видимой области и их возбуждение возможно при использовании облучения около 400 нм и больше. Более того, коэффициенты экстинкции имеют достаточно высокие значения, значит возбуждение происходит интенсивно, обеспечивая высокую яркость. Максимумы эмиссии имеют значения 472 до 521 нм и смещаются батохромно в полярном ДМСО на 31-43 нм по сравнению с неполярным СH2Сl2. И хотя квантовый выход эфиров снижается по сравнению с исходным флуорофором, однако в смеси ацетонитрила и воды сохраняются на достаточно хорошем уровне (7.4-8.3%). Характеристики основного и возбужденного состояния при поглощении кванта света и перехода в вертикальное состояние молекул фотокурьеров, а также последующая их геометрической релаксация и излучения, были вычислены с помощью теории функционала плотности ((TD)-DFT) с учетом эффектов растворителя (в рамках модели поляризуемого континуума). Показано, что молекулы фотокурьеров характеризуются высокой силой осциллятора как при поглощении (fw ~ 1.02-1.24), так и при эмиссии (fw ~ 1.02). Дипольный момент достаточно большой в основном состоянии (10.9-11.4 D) и увеличивается при переходе в возбужденное состояние до 14.6-16.3 D. Фотодисоциация эфиров была изучена при использовании фотореактора, снабженного двумя ртутными лампами (P = 26 Вт, λex = 385 нм). На основании полученных результатов был предложен механизм фотодиссоциации. С помощью квантово-механических расчетов, а также HPLC/HRMS экспериментов установлено, что на первой стадии фотодиссоциации молекула биокомпоненты и флуорофора существуют в виде молекулярного комплекса. Мы провели кинетические исследования фотодиссоциации и определили константу скорости и время полупревращения для ряда полученных фотокурьеров. Изучены процессы фото- и гидролитической диссоциации N,O-салицилспироборатов хромато-масс-спектрометрическим методом и с помощью спектров ЯМР 1Н и 11B и показано высвобождение исходного органического лиганда, салициловой кислоты и борной кислоты при фотодиссоциации в протонных растворителях (MeOH, EtOH), а также в смесях этанол-вода, ДМСО-вода. Это открытие позволило предположить возможность применения этих комплексов в качестве потенциального светочувствительного компонента для внутриклеточной системы доставки лекарств. Дальнейшие исследования позволили установить, что фотодиссоциация протекает быстрее в полярном и протонном EtOH, чем в полярном ДМСО. Добавление воды к растворам ДМСО и EtOH значительно увеличивало скорость фотодиссоциации, даже для более стабильного NO-ССБ комплекса. Кинетику фотодиссоциации NO-ССБ в EtOH изучали с использованием спектров поглощения при λ = 465 нм. Фотодиссоциация NO-ССБ с электроноакцепторными заместителями в ароматическом цикле протекает быстрее, чем для комплексов, содержащих электронодонорные заместители. Таким образом, мы обнаружили, что можно управлять процессом фотодиссоциации ССБ с помощью растворителя и структуры комплекса. Для оценки биологического поведения (проникновение через клеточную мембрану, распределение в клетке, фототоксичность) были выполнены исследования с помощью конфокального лазерного микроскопа. Полученные результаты показывают, что все синтезированные флуорофоры хорошо проникают в клетки и дают хорошие изображения при облучении лазером при разных длинах волн возбуждения. Следует отметить, что токсических эффектов вызванных флуорофорами в ходе эксперимента не наблюдалось. Важным результатом исследования является обнаружение избирательного накопления исследованных веществ в эндоплазматическом ретикулума, аппарате Гольджи или у мембраны клетки. NO-ССБ окрашивает ретикулярную структуру, которая представляет собой эндоплазматический ретикулум (ЭР) и аппарат Гольджи. Более того комплекс одинаково хорошо проникал как в мезенхимальные, так и мышечные клетки, а также фиксированные клетки (см. рисунок). Следует отметить, что окрашивания внешней мембраны клетки, митохондрий или ядерной мембраны не наблюдалось, что указывает на специфичность красителя к ЭР. Напротив, коммерческие красители на основе глибенкламида не действуют в фиксированных клетках, потому что целевой фермент теряет свою конфигурацию Известно, что свойства реальных опухолей отличаются от двумерных образцов, и более реалистичный отклик на воздействие лекарств дают трехмерные клеточные структуры, среди которых наиболее приближенной к реальным свойствам является модель сфероиды. Была исследована способность ССБ комплексов окрашивать клеточные сфероиды. На серии фотографий ниже предоставлены конфокальные срезы клеточного сфероида на разной высоте от основания. Полученных изображения демонстрируют, что исследуемые вещества проникают в клетки сфероида так же эффективно, как и в монослойной культуре, что открывает перед ним перспективы и в этой области биологических исследований.  

 

Публикации

1. Елтышев А.К., Агафонова И.А., Минин А.С., Поздина В.А., Шевырин В.А., Слепухин П.А., Бенасси Э., Бельская Н.П. Photophysics, photochemistry and bioimaging application of 8-azapurine derivatives Organic and biomolecular chemistry, Vol. 19, Iss. 45, 9880-9896 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1039/D1OB01801A

2. Потти Э, Куприянова О.В, Шевырин В.А., Стоув К.П. Synthesis and Functional Characterization of 2-(2,5-Dimethoxyphenyl)-N-(2-fluorobenzyl)ethanamine (25H-NBF) Positional Isomers ACS Chemical Neuroscience, Vol. 12, Iss. 9, P. 1667 - 1673 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acschemneuro.1c00124

3. Сунцова П.О., Гагарин А.А., Черненок В.В., Слепухин П.А., Бельская Н.П. Synthesis and photophysical properties of new derivatives 4-oxothiazolidin-5-ylidenes AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2022)

4. Агафонова И.А., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Синтез и оптические свойства новых производных 8-азапуринов Сборник тезисов XXXI Российской молодежной научной конференции с международным участием "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с. 232 (год публикации - 2021)

5. Бельская Н.П., Елтышев А.К., Чернышева Н.В., Бенасси Э., Минин А.С., Поздина В.А., Слепухин П.А. Синтез, фотофизические и биологические свойства мезоионных тиено[3,4-d]-1,2,3-триазолий-4-илиден)-этан-1-олатов Сборник тезисов Всероссийского конгресса по химии гетероциклических соединений "KOST-2021", c. 87 (год публикации - 2021)

6. Калимуллина Л.Р., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Синтез и оптические свойства бис-((5-амино)-1,2,3-триазолов) Сборник тезисов XXXI Российской молодежной научной конференции с международным участием "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с. 260 (год публикации - 2021)

7. Косменюк И.А., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Флуоресценция 2-арил-1,2,3-триазолодикарбоновых кислот Сборник тезисов XXXI Российской молодежной научной конференции с международным участием "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с.265 (год публикации - 2021)

8. Красильников В.А., Фомин Т.О., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Синтез и изучение оптических свойств 2-(2-арил-2Н-1,2,3-триазол-4-ил)тиазолов Сборник тезисов V Международной научно-практической конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», PR-130 (год публикации - 2021)

9. Фомин Т.О., Сафронов Н.Е., Красильников В.А., Боталов А.А., Бельская Н.П. Дизайн новых флуорофоров на основе 2-арил-1,2,3-тиразола Сборник тезисов XXXI Российской молодежной научной конференции с международным участием "Проблемы теоретической и экспериментальной химии"978-5-7996-3252-6, с.301 (год публикации - 2021)

10. Шевырин В.А., Елтышев А.К., Агафонова И.А., Бельская Н.П. Исследование фотохимической реакции некоторых новых флуорофоров ряда 2-арил-5-(трихлорметил)-2Н-[1,2,3]триазоло[4,5-d]пиримидинов методом тандемной масс-спектрометрии высокого разрешения Сборник тезисов IX всероссийской конференции "Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы", с. 45 (год публикации - 2021)


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате проведенных в 2022 году исследований были получены новые гетероциклические флуорофоры и флуоресцентные органические наночастицы на основе 5-амино-2-арил-2H-1,2,3-триазол-4-карбоксамидов, 2-арилиден-4,5-диарилтиазолов, 4-арил-2-(2H-1,2,3-триазол-4-ил)тиазолов, 4-(хлорметил)-(2H-1,2,3-триазол-4-ил)тиазолов, ((2H-1,2,3-триазол-4-ил)тиазол-5-ил)этанонов, (9H-карбазол-3-ил)-2H-1,2,3-триазол-4-ил)тиазола, 1H-тиено[3,4-d]-1,2,3-триазолий-олаты, а также комплексы бора с ариламинопропенонами - 2,2-дифтор-3,6-диарил-2,3-дигидро-1,3,2-оксазаборинины и доказано их строение с помощью спектральных методов, изучены особенности их строения, межмолекулярные и внутримолекулярных взаимодействия, рассмотрена природа этих взаимодействий с помощью спектров ЯМР 1Н и 13С, 11B, 19F УФ-спектров и спектров излучения, данных РСА и квантово-химических расчетов. Важным достижением является обнаружение уникальных фотофизических свойств 2-арил-1,2,3-триазолов, содержащих карбоксамидные и аминогруппы (КАТ). Изменение заместителей в карбоксамидном фрагменте или у аминогруппы вызывает резкое изменение квантового выхода флуоресценции (от 10 до 96%) и изменение времени жизни (от 0,691 до 6,884 нс). КАТ продемонстрировали сильный эффект AIEE в смесях ДМСО-вода и 1,4-диоксан-вода (v/v, 1:9). Причиной такого сильного эффекта может быть не только их ограниченная растворимость в смеси органических растворителей и воды, но и уникальная архитектура наночастиц. Образование наночастиц регистрировали методом DLS. Следует отметить, что КАТ обладают хорошей способностью обнаружения ионов Hg2+, а также способны вытеснять ионы из комплексов с рецепторами и устранять токсический эффект этого металла. В завершении этих экспериментов мы показали возможность использования тест-полосок, обработанных раствором КАТ для определения ионов Hg2+. Проведены интенсивные спектральные исследования растворов флуорофоров и определены их фотофизические характеристики, которые показывают, что максимумы поглощения полученных веществ расположены у границы видимого света (380-390 нм) или в видимой области (501-530 нм). Они характеризуются хорошими значениями коэффициента молярной экстинкции (10400-73500 М-1 см-1), значениями квантового выхода (от 0,5 до 95%), а также хорошим сдвигом Стокса (от 74 до 173 нм). Результаты квантово-механических расчетов показывают высокие значения силы осциллятора. Таким образом, фотофизические характеристики полученных флуорофоров соответствуют рекомендациям необходимым для работы в биологических системах. Изучены способы модификации флуорофоров как для введения в их молекулу активных центров для формирования гибридных систем с помощью различных линкеров, так и для моделирования или настройки электронной системы, а также для изменения физико-химических свойств и биологического поведения . Для различных флуорофоров определены особенности осуществления реакций, область распространения изученных превращений в конкретной серии и границы применения. Проведено исследование возможности реализации AIE/AIEE-эффекта для всех синтезированных флуорофоров в смеси органического растворителя (ДМСО, 1,4-диоксан, тетрагидрофуран, спирт) и воды или буфера (рН 7,4). Определено влияние различных факторов на образование эксимеров и наночастиц: увеличение концентрации флуорофора, добавление воды или буфера, а также добавление растворителя с большой вязкостью (этиленгликоль). Показано, что кроме КAT эффектом AIEE обладают 2,2-дифтор-3,6-диарил-2,3-дигидро-1,3,2-оксазаборинины). Образование частиц зарегистрировано с помощью метода динамического светорассеяния, определен их размер, изучена химическая и фотоустойчивость. Изучена возможность получения новых 5-, 6- и 7-членных спироциклических комплексов ариламинопропенонов с производными орто-гидроксибензойных кислот , 1,2-гидрокдигидроксисоединений и борной кислотой. Показано, что полученные соединения обладают высоким коэффициентом экстинкции и значительной флуоресценцией в кристаллической форме с квантовым выходом от 2,6 до 65%, а также являются AIEE-генами и их растворы в ДМСО характеризуются увеличением квантового выхода в 1,5 — 7,5 раз при добавлении воды. Проведен анализ полученных спектральных данных, квантово-химических характеристик и геометрии комплексов, сформулированы рекомендации для настраивания фотофизических свойств спироборатов. Продемонстрирована возможность их модификации с помощью реакции ацилирования, получены новые комплексы, содержащие фрагмент биомолекулы (эфира глицина) или получить флуорофоры, содержащие два спироциклических оксазаборининовых цикла. Получены новые гибриды 2-арилидентиазолов, содержащие остаток карбоновой кислоты, аминокислоты, биологически активного RGD-трипептида, а также диметиланилина и гидроксисоединения. Осуществлен синтез гибридов (2H-1,2,3-триазолил)тиазолов с биомолекулами и их моделями. Изучены их фотофизические свойства в ДМСО, и смесях ДМСО-вода, ДМСО-буфер (7,4). Показано, что оптические характеристики хорошо соответствуют требованиям, регламентирующим их применение в биологических системах. Следует отметить, что для этих гибридных структур наблюдается смещение полос поглощения и эмиссии в длинноволновую область, а также увеличение квантового выхода в смеси ДМСО-буфер. Получены коньюгаты, включающие две биомолекулы, что является одним из очень редких примеров в синтезе фотокурьерных систем. Изучены их фотофизические свойства и строение. Фотодиссоциация гибридов была изучена с помощью хромато-масс-спектрометрических исследований, ЯМР-контроля состава реакционной смеси. Кинетика диссоциации изучена спектрофотометрическим методом. Хромато-масс-исследования состава реакционной смеси проводилось при разной мощности облучения (20% и 50%), длине волны облучения (λexc = 250 нм, и 360 нм) и в разных растворителях (в смеси ацетонил-вода в соотношении (9:1, 7:3) МеОН). В результате этих исследований была установлена структура основных продуктов фотодиссоциации, определены ее особенности в зависимости от структуры флуорофора и биомолекулы. Полученные данные позволили провести сравнение влияния строения флуорофора, биомолекулы и связующего их линкера на скорость фотодиссоциации. Образование продуктов превращения продемонстрировано на примере гибрида RGD-пептида. Рассмотрены преимущества и недостатки разных гибридных систем и проведено их сравнение с известными фоточувствительными носителями биомолекул, определены проблемы дальнейшего развития исследований и пути их преодоления. Проведена качественная оценка фототоксического действия исследуемых веществ in situ при помощи конфокального микроскопа с культурой эпителиальных клеток зеленой мартышки (Vero), МIА PaCa-2 (клеточная линия рака поджелудочной железы человека) и клеточной линии фибробластов, а также МТТ-теста. Показано, что синтезированные гибриды не обладают цитотоксичносью. Продемонмтрировано проникновение гибридов и флуорофоров в клетку и в зависимости от структуры молекулы-гибрида происходит их селективное накапливание в ЭР, аппарате Гольджи, лизосомах и в ядре (ядрышке). Показана хорошая контрастирующая способность исследуемых веществ, которые быстро приникают в клетку (30 мин) и дают достаточно яркие изображения. Проведены эксперименты для оценки проникновения исследуемых веществ внутрь клеточных сфероидов и сделана оценка фототоксического действия веществ. Полученые результаты опубликованы в 3 статьях, 2 из них в журналах квартиля Q1. В настоящее время одна статья находится на рассмотрении в редакции журнале Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy и подготовлен экспериментальный материал для следующих публикаций. Результаты работы представлены в устных докладах и стендовых сообщениях на международных и Российских конференциях по органическому синтезу, гетероциклической химии и химии материалов (16 тезисах), Защищена кандидатская диссертация и 3 магистерских диссертации.

 

Публикации

1. Луговик К.И., Фомин Т.О., Минин А.С., Поздина В.А., Шевырин В.А., Бенасси Э., Бельская Н.П. N,O-bidentate ligands-based salicylic spiroborates: A bright frontier of bioimaging Dyes and pigments, том 200, 110165 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110165

2. Мотверов М.В, Луговик К.И., Ватару Г.В., Минин А.С., Поздина В.А., Слепухин П.А., Бенасси Э., Бельская Н.П. N,O-bidentate BF2-enaminone complexes: Synthesis, electronic structure, photophysical properties, and biological behaviour Dyes and pigments, том 208, 110848 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110848

3. Агафонова И.А., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Фотохимические превращения 2-трихлорметил-8-азапуринов Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 291 (год публикации - 2022)

4. Агафонова И.А., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Флуоресцентные 8-азапурины синтез и фотохимические реакции Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-21 (год публикации - 2022)

5. Боталов А.А., Фомин Т.О., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Синтез новых N,N-координированных BF2-комплексов арилгидразонов и изучение их оптических свойств Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 302 (год публикации - 2022)

6. Ватару Г.В., Луговик К.И., Минин А.С., Бельская Н.П. Фотофизические и биологические свойства BF2-комплексов ариламинопропенамидов Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-16 (год публикации - 2022)

7. Гагарин А.А., Бельская Н.П. Новые гибридные структуры на основе малого гетероциклического флуорофора Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 312 (год публикации - 2022)

8. Гагарин А.А., Джуманиязов Т.Х., Бельская Н.П. Новые арилидентиазолы с настраиваемыми фотофизическими свойствами Сборник тезисов всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: органическая химия от Марковникова до наших дней", с. 122 (год публикации - 2022)

9. Гагарин А.А., Минин А.С., Бельская Н.П. Тиазолопиридины. Синтез новых флуорофоров для использования в биологии и медицине Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-22 (год публикации - 2022)

10. Елтышев А.К., Агафонова И.А., Бельская Н.П. Фотохимия 5-трихлорметил-1,2,3-триазолопиримидинов Сборник тезисов всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: органическая химия от Марковникова до наших дней", с.52 (год публикации - 2022)

11. Кабакова А.В., Гагарин А.А., Бельская Н.П. Синтез и оптические свойства новых 4-гидрокси-арилидентиазолов и их производных Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", II-13 (год публикации - 2022)

12. Кабакова А.В., Джуманиязов Т.Х., Мохнаткин И.В., Гагарин А.А., Бельская Н.П. Новые дизамещенные 2-арилидентиазолы. Синтез и оптические свойства Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 329 (год публикации - 2022)

13. Канаа А., Миронова М.А., Бельская Н.П. Синтез и изучение фотофизических свойств бис(пирролопиразолинов) спектральными методами Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 332 (год публикации - 2022)

14. Красильников В.А., Фомин Т.О., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Синтез и изучение оптических свойств 4,5-арил-(2-арил-2Н-1,2,3-триазол-4-ил)тиазолов Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 339 (год публикации - 2022)

15. Мохнаткин И.В., Гагарин А.А., Бельская Н.П. 4-Оксотиазолидин-5-илидены. Синтез и фотофизические свойства Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", II-20 (год публикации - 2022)

16. Самойленко Э.А., Сафронов Н.Е., Бельская Н.П. Новые рН сенсоры на основе карбоновых кислот 1,2,3-триазолов Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-15 (год публикации - 2022)

17. Фомин Т.О., Красильников В.А., Бельская Н.П. Дизайн новых флуорофоров на основе ансамбля 1,2,3-триазола с настраиваемыми спектральными свойствами Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-24 (год публикации - 2022)

18. Чернышева Н.В., Елтышев А.К., Бельская Н.П. Флуоресценция и фотостабильность 1Н-тиено[3,4-d]1,2,3-триазолий-олатов Сборник тезисов докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер " Проблемы теоретической и экспериментальной химии ", с. 393 (год публикации - 2022)

19. Чернышева Н.В., Елтышев А.К., Эфрос К.А., Бельская Н.П. Флуоресценция мезоионных 1,2,3-триазолий-олатов. Изучение фотостабильности. Сборник тезисов VI международной конференции "Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов", с. II-23 (год публикации - 2022)


Возможность практического использования результатов
Результаты исследования в перспективе могут найти применение в биологии и медицине.