Гибридные наноструктуры на основе фуллеренов для применения в медицине

ГИБРИДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

А.И. Котельников, Р.А. Котельникова, Г.Н. Богданов, Н.П. Коновалова, И.И. Файнгольд, Д.В. Мищенко, Баринов А.В., Рубцов А.Ю., В.С. Романова Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, kotel@icp.ac.ru Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Москва

Предлагается новый подход для создания биологически активных гибридных наноструктур на основе аминокислотных производных фуллерена путем присоединения к фуллереновому ядру двух различных аддендов: один из них, аминокислота, обеспечивает водорастворимость, а второй -дополнительные биологические свойства, включая антиоксидантные, способность донировать оксид азота, выступать фотосенсибилизатором или ингибировать ключевые ферменты. Открывается возможность создания широкого набора биосовместимых гибридных структур для применения в медицине. Обнаружены и исследованы противовирусные, противоопухолевые, кардиотропные, антиоксидантные и фотодинамические свойства новых наноструктур.

Актуальной проблемой развития современных нанотехнологий является создание новых материалов для медицины, основанных на создании гибридных наноструктур. Значительное место среди современных наноматериалов занимают наноуглеродные структуры, в том числе фуллерены. Активно развиваются работы по созданию водорастворимых производных фуллеренов, которые обладают высокой биосовместимостью и проявляют широкий спектр биологической активности.

Ранее была предложена оригинальная методика прямого присоединения аминокислот и пептидов к двойной связи фуллерена через аминогруппу [1]. Оказалось, что такие производные хорошо растворимы в воде, обладают малой токсичностью и проявляют различную биологическую активность. Нами обнаружены мембранотропные, антиоксидантные и иммуномодулирующие свойства таких гибридных структур, их активность против СПИДа [2-8] . Недавно для этих аминокислотных производных была обнаружена высокая активность против цитомегаловирусной инфекции [6, 8], а также стререоспецифичность взаимодействия аминокислотных производных с мембранами и белками [6, 7].

Недавно нами был предложен новый подход к дальнейшей модификации аминокислотных производных фуллерена [9]. Существенно расширить возможности создания гибридных наноструктур на основе фуллеренов можно за счет присоединения к фуллереновому ядру второго адденда путем замещения атома водорода, введенного в структуру фуллерена в процессе присоединения аминокислоты. Таким образом, открывается возможность создания широкого набора биосовместимых гибридных структур с помощью комбинации двух различных аддендов: один из них, аминокислота, придает фуллереновому ядру водорастворимость, а второй - дополнительные биологические свойства, в том числе антиоксидантные, способность донировать оксид азота, выступать фотосенсибилизатором или ингибировать ключевые ферменты.

Для усиления биологической эффективности производных фуллерена использованы недавние открытия в области физиологической активности оксида азота. Известно, что оксид азота контролирует тонус сосудов, служит модулятором окислительных реакций, процесса апоптоза и иммунных реакций. В ИПХФ РАН впервые был обнаружен хемосенсибилизирующий эффект доноров оксида азота при терапии рака, позволяющий достичь практически 100% выживания экспериментальных животных [10].

Для исследования противоопухолевых эффектов производных фуллерена были синтезированы гибридные структуры на основе фуллерен-пролина с биологически активными донорами NO, а также с антиоксидантом карнозином. Обнаружен значительный противоопухолевый эффект действия таких

наноструктур. Новые гибридные наноструктуры (Рис. 1-5) выступали как эффективные хемосенсибилизаторы, которые вызывали излечение до 67 % животных с лейкемией Р388 при введении данных соединений в комбинации с клиническими цитостатиком циклофосфаном. Аналогичные гибридные молекулы выступают как выраженные ингибиторы процесса метастазирования при введении в комбинации с цитостатиками. При этом терапевтическая доза цитостатиков снижена в 10 раз, что обеспечивает уменьшение их токсичности и предотвращает развитие резистентности.

Нитропроизводное фуллерена С60-OH-ProNO2 (Рис. 3) испытывалось в качестве антигипертензивного средства. Проведено изучение влияния данного соединения на артериальное давление и частоту сердечных сокращений у крыс линии Wistar. Обнаружено более мягкое по сравнению с нитроглицерином воздействие на NO-зависимые показатели сердечно-сосудистой системы крыс. Эти результаты указывают на возможность создания оригинальных вазодилатирующих соединений для антигипертензивной терапии на основе этого класса соединений.

Известно, что фуллерены обладают антиоксидантными свойствами. Были исследованы антиоксидантные свойства ряда новых гибридных структур по их влиянию на перокидное окисление липидов. Оказалось, что антиокидантные свойства усиливаются по мере введения в гибридную структуру нитрогрупп. Однако наиболее сильный эффект проявлял бинарный антиоксидант на основе аминокислотного производного фуллерена с присоединенным к нему антиоксидантом карнозином (Рис. 6).

Значительный интерес представляет введение в гибридную структуру малеимидной группировки, которая позволяет присоединять фуллереновые структуры к белкам и пептидам через SH-группы цистеиновых остатков или аминогруппы других аминокислотных остатков. Был осуществлен синтез С60-maleimide-Pro (Рис. 7) и проведено ковалентное присоединение данной фуллереновой структуры к SH-группам гемоглобина. Используя эту методику, возможно ковалентное присоединение фуллеренов к различным носителям, в том числе к белкам, пептидам и нуклеиновым кислотам, что открывает широкие возможности для использования фуллеренов в новых иммунологических и молекулярно-генетических методиках.

Эти же подходы могут быть использованы для создания регулярных монослоев и организованных структур из фуллеренов на поверхности металлов и пленок, для привития их к полимерам, синтетическим и натуральным волокнам.

Описанные подходы дают возможность создания гибридных наноструктур на основе фуллеренов с особыми фотофизическими свойствами. В частности, с помощью разработанного подхода осуществлено присоединение к водорастворимому фуллеренил-пролину красителя эозина (Рис. 8). Эозин эффективно возбуждается в триплетное состояние, и затем возбужденное состояние может переноситься на фуллерен или приводить к переносу электрона с эозина на фуллерен. В результате с помощью такой гибридной структуры возможна эффективная генерация синглетного кислорода или супероксид-радикала при возбуждении красителя в зеленой области спектра на длине волны 533 нм. Исследованы мембранотропные свойства гибридной структуры на основе фуллеренил-эозина, ее способность связываться с ДНК и накапливаться в опухолевых тканях. Обнаружено, что гибридная структура на основе фуллеренил-эозина проникает через гематоэнцефалический барьер, так что его содержание в тканях мозга достигает максимального значения через 2 часа после инъекции и значительно снижается через 5 часов после введения. Все это делает перспективным использование подобных гибридных структур для фотодинамической терапии рака и фармакокинетических исследований.

На способы синтеза новых гибридных структур на основе фуллеренов в настоящее время оформлена заявка на международный патент №PST/RU2007/000337.

CH2CH2OH

OOCHз

CH2CH2ONO2

OOCH3

Сб0-ОН-Рго

CH2CH2OH

OOCH2CH2ONO2

C60-OH-ProNO2

и

Сб0^О2-Рго

CH2CH2ONO2

OOCH2CH2ONO2 С60-^2)2-Рго

CH2CH-CH2ONO2 ONO2

N'

OOCHз

O O

CH2-CH2-O-C-CH-NH-C-CH2CH2NH2

. . ( ...

H2C

и

OOCH3

^=N

C60-NO2-ProNO2

C60-Carnosine-Pro

0

OH

С60 maleimide-Pro

C60-eozine-Pro

2

3

6

а

Результаты исследований указывают на пути направленного синтеза высоко эффективных гибридных структур, обладающих противовирусным, противоопухолевым, антиметастатическим и кардиотропным действием на основе аминокислотных производных фуллерена, доноров оскида азота, антиоксидантов и красителей.

Таким образом, комбинированное использование арсенала методов и подходов физики, химии и молекулярной биологии позволяет прогнозировать создание на базе фуллеренов новых биосовместимых и биологически активных наноструктур для широкого применения в медицине. Такие структуры и материалы отличаются малой токсичностью и высокой селективностью действия на биологические системы различного уровня организации, и могут послужить основой для создания принципиально новых лекарственных соединений для лечения широкого спектра социально значимых заболеваний (онкология, кардиология, СПИД и другие вирусные инфекции).

1. В. С. Романова, В. А. Цыряпкин, Ю. И. Ляховецкий, З. Н. Парнес, М. Е. Вольпин. Изв. РАН, сер.хим., 1994, N6, с. 1154.

2. Kotelnikova R.A., Kotelnikov A.I., Bogdanov G.N., Romanova V.S., Kuleshova E.F., Parnes Z.N. , Volpin M.E. . FEBS Letters, 1996, 389, 111-114.

3. Kotelnikova R.A., Bogdanov G.N., Romanova V.S., Parnes Z.N. Mol. Mat., 1998, 11, 111-116

4. Kotelnikova R.A., Bogdanov G.N., Zotina G.V., Romanova V.S., Parnes Z.N., Kotelnikov A.I. J. of Inorganic Biochemistry. 2001, 86, 1, 299.

5. Kotelnikova R. A., Bogdanova G. N., Zotina G. V., Romanova V. S., Parnes Z. N. J. Physics of Solid State, 2002, 44, 3, 576-578

6. Kotelnikova R.A., Bogdanov G.N., Frog E.S., Kotelnikov A.I., Shtolko V.N., Romanova V.S., Andreev S.M., Kushch A.A., Fedorova N.E., Medzhidova A.A., Miller G.G. J. of Nanoparticle Research, 2003, 5, 561-566.

7. Богданов Г.Н., Котельникова Р.А., Фрог Е.С., Штолько В.Н., Романова В.С., Бубнов Ю.Н, Доклады Академии наук, 2004, 396 (3), 401-403.

8. Фрог Е.С., Котельникова Р.А., Богданов Г.Н., Штолько В.Н., Файнгольд И.И., Кущ А.А., Федорова Н.Е., Меджидова А.А., Романова В.С. Технология живых систем. 2006, № 3, 2, 42-46.

9. Масалова О.В., Шепелев А.В., Атанадзе С.Н., Парнес З.Н., Вольпина О.М., Семилетов Ю.А., Кущ А.А. Доклады Академии наук, 1999, 369, 180-183.

10. Konovalova N.P., Goncharova S.A., Volkova L.M., Rayevskaya T.A., Eremenko L.T., Korolev A.M. Nitric Oxide: Biology and Chemistry, 2003, 8, 59-64.

FULLERENE BASED HYBRID NANOSTRUCTURES FOR APPLICATION IN MEDICINE

A.I. Kotelnikov, R.A. Kotelnikova, G.N. Bogdanov, N.P. Konovalova, I.I. Faingold, D.V. Mishchenko1, Barinov A.V., Rubtsov A.Yu., V.S. Romanova* Institute of Problems of Chemical Physics RAS, Chernogolovka, Russia, kotel@icp.ac.ru *A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds RAS, Moscow, Russia

A new approach for creation of biologically active hybrid nanostructures on the base of amino acid fullerene derivatives is proposed by addition of two different addends: the former addend, namely, amino acid makes fullerene molecule water soluble and the latter one provides for additional biological properties including antioxidant ones, and the ability to donate nitrogen monoxide, perform as photosensitizer and inhibit key enzymes. The approach opens wide prospects for the design of a great number of biocompatible hybrid structures for application in medicine. Antiviral, anticancer, cardiotropic, antioxidant and photodynamic properties of new nanostructures were discovered and investigated.