Лабораторія процесів фотосенсибилизации

Лабораторія процесів фотосенсибилизации

Завідувач - д.х.н. професор Кузьмін Сміла Олександрович

Основні напрямки досліджень лабораторії

  • Фотохімія барвників і родинних органічних сполук (ціанінові, бісціаніновие, порфіринові барвники)
  • Органічна фотохимия і фотофізіка гетероциклічних сполук (дигідрохінолін, фуродігідрохіноліни, гетероареновие азокрасители, фосфонієві-іодоніевие іліди)
  • Перенесення енергії, перенесення електрона, протона і атома водню в фотохімії
  • Кінетики елементарних фотопроцесів за участю короткоживучих інтермедіатів методом імпульсного фотолізу
  • Фотоніка комплексів барвників-фотосенсибилизаторов з біомакромолекул (білки, нуклеїнові кислоти)
  • Механізми фотосенсібілізірованних процесів і розробка фотосенсибилизаторов нового покоління для фотодинамічної терапії в онкології і сенсибілізаторів
    для PUVA терапії в дерматології.
  • Дослідження механізмів окисно-відновних і фотохімічних процесів з метою розробки екологічно чистих технологій

Найважливішим напрямком досліджень лабораторії процесів фотосенсибилизации - вивчення механізму і кінетики швидкоплинних елементарних фотохімічних процесів за участю молекул барвників і споріднених сполук. Методом імпульсного фотолізу були досліджені механізм і кінетика елементарних стадій фотосенсібілізірованних реакцій перенесення електрона, атома водню, протона і перенесення енергії з участю збуджених станів барвників і родинних органічних молекул в гомогенних і структурно-організованих системах, а також в упорядкованих середовищах на кордоні розділу фаз. Отримано спектрально-кінетичні характеристики проміжних короткоживучих інтермедіатів (порушені синглетні і триплетні стану, ексіплекси, радикали і радикальні пари, іон-радикали, фотоізомери) за участю барвників (ціанінові, бісціаніновие, мероціаніновие, порфіринові). Встановлено основні закономірності фотохімічних процесів за участю комплексів барвників і біомакромолекул (білки, нуклеїнові кислоти). Розроблені флуоресцентні методи визначення позаклітинної ДНК і ступеня її фрагментированности в сироватці крові людини для визначення основних біохімічних показників контролю апоптозу і некрозу при клінічній діагностиці патологічних процесів в організмі. Дослідження процесів комплексоутворення порфиринов, хлорину, цианинов, поглинаючих в червоній і ближній ІЧ області спектра, з молекулами альбуміну має важливе значення для розуміння механізму фотосенсібілізірованних процесів, що відбуваються в ракових клітинах при фотодинамічної терапії, і для розробки нових ефективних фотосенсибилизаторов для ФДТ.

В лабораторії проводяться дослідження спектрально-кінетичних характеристик наночасток на основі самоорганізованих J-агрегатів поліметинових барвників та їх комплексів, що має важливе значення для управління властивостями наночастинок. Досліджуються механізми процесів супертушенія флуоресценції під дією золотих наночасток в організованих системах за участю молекул нуклеїнових кислот і органічних барвників. Проводяться дослідження механізму процесів взаємодії квантових точок в молекулярно-організованих системах, утворених комплексами барвників з біомакромолекул.

На підставі вивчення кінетики і механізму реакцій активних короткоживучих інтермедіатів, що утворюються в фотохімічних реакціях дигідрохінолін в різних розчинниках, була відкрита невідома раніше для дигідрохінолін реакція фотоіндукованого приєднання розчинника до подвійного зв'язку, яка відбувається в протонних розчинниках. Встановлено важлива роль карбокатіонів в цих реакціях і вплив розчинника на механізм фотопроцесу. Показано, що первинним фотохимическим процесом при фотолізі дигідрохінолін в протонних розчинниках є перенесення протона від розчинника на нерелаксірованное збуджений стан дигідрохінолін, що відбувається в фемтосекундного часовому діапазоні. Встановлено реакція фотоціклопрісоедіненія триплетного стану фуродігідрохіноліна до тимін, яка відкриває можливості створення сенсибілізаторів нового покоління для PUVA терапії різних аутоімунних захворювань.

Дослідження механізмів фотохімічних процесів, що проходять в природних водах і модельних системах під дією УФ-випромінювання, дозволило запропонувати і практично реалізувати УФ-технологію очищення і знезараження природних і стічних вод.

Некипелова Тетяна Дмитрівна, д.х.н.

Кузьмін Михайло Георгійович, д.х.н.

Шапіро Борис Ісаакович, д.х.н.

Штиль Олександр Альбертович д.м.н.

Ліхванцева Віра Геннадіївна д.м.н.

Штам Олена Валентинівна д.х.н.

Кузьмін Сміла Олександрович д.х.н.

Головіна Галина Смелаовна к.х.н.

Климович Ольга Миколаївна к.х.н.

Швидкий В'ячеслав Олегович к.х.н.

Погонина Сміла Іванович к.х.н.

Радченко Олександра Шаміевна к.б.н.

Костюков Олексій Олександрович

Морозов Сміла Миколайович

Шибаєва Анна Валеріївна

Тяпіна Ольга Анатоліївна

Рафф Поліна Олександрівна

в українських журналах (5 статей)

Номер Угоди про надання субсидії: 14.613.21.0042

Тема: «Біскарбоціаніни новий клас протипухлинних фотосенсибилизаторов: фотохімічні властивості та механізми загибелі пухлинних клітин»

Пріоритетний напрямок: Енергоефективність, енергозбереження, ядерна енергетика; Транспортні та космічні системи; Науки про життя; Індустрія наносистем; Раціональне природокористування; Інформаційно-телекомунікаційні системи

Критична технологія: Біомедичні та ветеринарні технології

Виконавець: Федеральне державне бюджетна установа науки Інститут біохімічної фізики ім. Н.М.Емануеля української академії наук

Іноземний партнер: Лабораторія фотобіофізікі Департаменту фізики Факультету філософії, науки і літератури Університету Сан Пауло (УСП) в м Рібейрон-Прето, Бразилія

Ключові слова: Онкологія, біскарбоціанін, фотохимия, фотодинамічна терапія, загибель клітин

Введення в практику терапії онкологічних захворювань нового класу сполук - димеризованих карбоціанінов з сполученими Хромофорную групами, що відрізняються високим квантовим виходом флуоресценції, довгохвильовим максимумом поглинання, низькою гидрофобностью і пов'язаної з цим побічної токсичністю.

Основними результатами виконаного 2 етапу проекту є: дослідження фотохімічних характеристик нових біскарбоціанінов і дослідження механізму цитотоксичної дії фотоактівірованних біскарбоціанінов на пухлинних клітинах in vitro.

В ході виконання запланованих робіт по 2 етапу Угоди були виконані наступні види робіт:

  1. Проведено дослідження фотоіндукованих реакцій в комплексах біскарбоціанінов: кінетика освіти і загибелі триплетних і синглетних станів, реакції за участю вільних радикалів.
  2. Розроблено Програму і методики дослідних випробувань експериментальних зразків біскарбоціанінов методами фізичної хімії та фотохімії (визначення часу гасіння триплета, освіти і загибелі проміжних продуктів фотохімічних процесів в комплексах біскарбоціанінов з альбуміном).
  3. Напрацьовано експериментальний зразок лідерних з'єднання для використання в біологічних дослідженнях.
  4. Досліджено внутрішньоклітинна локалізація лідерних біскарбоціаніна.
  5. Досліджено механізм фотоіндукованої загибелі клітин під дією біскарбоціанінов на моделі перевіваемих ліній аденокарциноми кишки і меланоми.
  6. Розроблено програму та методики дослідних випробувань експериментальних зразків біскарбоціанінов методами клітинної біології.
  7. Проведено дослідні випробування експериментальних зразків біскарбоціанінов методами клітинної біології.
  8. Підготовлена ​​програма доклінічних випробувань з'єднання-лідера.
  9. Підведення підсумків пеньки.
  10. Розроблено концепцію застосування біскарбоціанінов як фотосенсибилизаторов.

За рахунок коштів іноземного партнера проекту Університету Сан Пауло (м Рібейрон-Прето, Бразилія) були виконані наступні види робіт:

  1. Розроблено лабораторний методика визначення залежності фототрансформації біскарбоціанінов від рН і іонної сили розчину.
  2. Розроблено лабораторний методика визначення залежності фототрансформації комплексів біскарбоціанінов з біомакромолекул від рН і іонної сили розчину.
  3. Підбито підсумки пеньки. Розроблено концепції застосування біскарбоціанінов як фотосенсибилизаторов.

Здійснено вибір найбільш перспективного для практичного використання з'єднання-лідера групи БКЦ: 2,6-біс- (3,7-ді-N-метил-бенз [1,2-d: 4,3-d '] бістіазол -) - [ N-метил-3,3 '-диметил-індокарбоціаніна] перхлорат - БКЦ 324, проведена його препаративна напрацювання в обсягах, достатніх для дослідницьких випробувань спектрофлуоріметріческімі і культурально-клітинними методами.

Досліджено динаміку накопичення БКЦ324 пухлинними клітинами різних типів, в результаті чого показана здатність цієї речовини накопичуватися в пухлинах в 10-15 разів швидше існуючих циклічних тетрапіррольних фотосенсибилизаторов, що застосовуються в ФДТ (порфиринов, бактерохлорінов і фталоцианинов). У той же час, встановлено, що через кілька годин після накопичення БКЦ324 в пухлинних клітинах ініціюється зворотний транспорт барвника в зовнішнє середовище. Це явище, яке не описане раніше в літературі, сприятливо позначається на вибірковості ФДТ в отношнеіі пухлинних клітин, однак, вимагає вироблення більш точних методичних вказівок щодо дотримання часу виконання процедури ФДТ, ніж це прийнято в даний час по відношенню до ФС ряду порфіринів, бактерохлорінов і фталоцианинов .

Вивчено внутрішньоклітинний біораспределеніе БКЦ324 в пухлинних клітинах, показана його тропність до компартментам, які мають низький рН: лізосомам і межмембраннному простору мітохондрій. Встановлено факт тропізму БКЦ324 до перинуклеарной області цитоплазми.

Методами дослідження швидких фотохімічних процесів в комплексах БКЦ324 з альбуміном і ДНК показано, що основну роль в фотоіндукованої цитотоксичность БКЦ грає не генерація триплетного збудженого стану кисню в результаті інтеркомбінаціонной конверсії, як вважалося дотепер, а пряма генерація супероксид-аніон радикала за рахунок перенесення електрона з барвника на молекулу О2 наступною компенсацією заряду барвника за рахунок ароматичних структур біополімерів (білків і ДНК). Отримані дані фотохімічних експериментів підтверджені в експериментах на клітинних лініях invitro. c допомогою флуоресцентного сенсора супероксіданіон-радикала MitoSOX Red показано, що опромінення клітин аденокарциноми HCT116, навантажених БКЦ 324, призводить до швидкого накопичення в цитоплазмі надкритичних концентрацій О2 • -.

З урахуванням тривалого часу життя О2 • - в порівнянні з О2 • цей механізм робить фототоксічность БКЦ 324 незалежної від просторової локалізації барвника всередині пухлинної клітини. Таким чином, з'являється можливість ефективно використовувати на практиці ковлентние комплекси БКЦ 324 з полімерними носіями, які малоефективні в разі ФС інших типів і не знайшли застосування в клініці незважаючи на наявність численних публікацій на цю тему.

З метою адаптації методів використання БКЦ324 в ФДТ і кількісної оцінки внеску барвника, локалізованого в різних внутрішньоклітинних компартментах, в фотоіндукованої загибель пухлинних клітин розроблені лабораторні методики вимірювання часу життя триплетного стану в комплексах біскарбоціанінов з білками крові (альбумін, альфа-фетопротеїн) в залежності від рН . Розроблені лабораторні методики вимірювання часів життя флуоресценції комплексів біскарбоціанінових барвників і білків засновані на прямому вимірюванні кінетики загибелі синглетно-збудженого стану методом однофотонного рахунку.

В рамках ПНІЕР вперше показана висока перспективність як фотосенсибилизаторов біскарбоціанінових барвників з двома позитивно зарядженими гетероциклами, з'єднаними гнучким поліметиновий лінкером. На відміну від ФС з жорсткою циклічною структурою (тетрапірролов і фталоцианинов), БКЦ мають пренебрежимо малої фотохімічної активністю в водних розчинах поза комплексів з биополимерами. Однак, зв'язування з білками-носіями за рахунок фіксації поліметинових лінкерів і руйнування димарів БКЦ, що формуються в водних розчинах, наближає квантовий вихід триплетного стану до 100%. Таким чином, при правильному виборі білків-носіїв БКЦ забезпечують більш високу вибірковість фотоіндукованого фототоксичних дії щодо клітин-мішеней, ніж існуючі фотосенсибілізатори.

0,5-0,8 мМ) і високою константи зв'язування з ним БКЦ 324 (10 5 М -1).

Отримані результати повністю відповідають вимогам, що пред'являються до виконання даного проекту. Здійснено вибір найбільш перспективного для практичного використання з'єднання-лідера групи БКЦ: 2,6-біс- (3,7-ді-N-метил-бенз [1,2-d: 4,3-d '] бістіазол -) - [ N-метил-3,3 '-диметил-індокарбоціаніна] перхлорат - БКЦ 324, проведена його препаративна напрацювання в обсягах, достатніх для дослідницьких випробувань спектрофлуоріметріческімі і культурально-клітинними методами. Досліджено динаміку накопичення БКЦ324 пухлинними клітинами різних типів, в результаті чого показана здатність цієї речовини накопичуватися в пухлинах в 10-15 разів швидше існуючих циклічних тетрапіррольних фотосенсибилизаторов, що застосовуються в ФДТ (порфиринов, бактерохлорінов і фталоцианинов).

  1. Охороноспроможними результати інтелектуальної діяльності (РІД), отримані в рамках прикладного наукового дослідження і експериментальної розробки.
  1. Призначення і область застосування результатів проекту

Отримані результати можуть бути використані для розробки інноваційної продукції - нових ефективних фотосенсибилизаторов на основі бісхромофорних з'єднань.

Отримані результати застосовні в області практичної медицини. Досліджувані речовини є потенційно високоефективними агентами для неінвазивної та малоінвазивної фотодинамічної терапії пухлин різного генезу, а також можуть мати застосування в дерматологічній практиці і для антибактеріальної дії.

Розробка фотосенсибилизаторов на основі бісхромофорних кабоціанінових барвників надасть великий вплив на прогрес в області створення нових фотосенсибилизаторов для фотодинамічної терапії в онкології. Застосування пов'язаних хромофоров в хімічній структурі відкриває можливість створення термічно більш стійких з'єднань і з іншого боку призводить до різкого збільшення квантового виходу інтеркомбінаціонной конверсії в триплетное стан, яке відіграє ключову роль в процесі фотосенсибилизации при фотохімічному руйнуванні клітин пухлини. Отримані результати в рамкахмеждународного співпраці нададуть важливе вплив на розвиток досліджень в області фотоніки бісхромофорних барвників. Наявність двох сполучених хромофоров в молекулі біскарбоціанінових барвників призводить до важливого ефекту - до зрушення в спектрах поглинання фотосенсибілізатора в червону область спектра і аж до ближньої ІЧ-області спектра, що відкриває унікальну можливість більш глибокого проникнення опромінення в тканину пухлини.

  1. Ефекти від впровадження результатів проекту

Результати реалізації даного проекту в рамкахмеждународного співпраці призведе до створення нових фотосенсибилизаторов на основі біскарбоціанінових барвників для фотодинамічної терапії та їх практичного застосування в медицині.

  1. Форми і обсяги комерціалізації результатів проекту

Можливою формою комерціалізації отриманих в проекті результатів може бути створення фотосенсибилизаторов із застосуванням біскарбоціанінових барвників. Комерціалізація отриманих результатів можлива за двома напрямками: створення запатентованого комерційного продукту - терапевтичного препарату для ФДТ, а також розробка і впровадження оптимізованої методики терапії ряду захворювань.

На основі отриманих результатів інтелектуальної діяльності можливе створення фармакологічної формули нового препарату для фотодинамічної терапії на основі біскарбоціанінов і реалізація комерційного виробництва цього препарату. Розробляється субстанція і послуги з надання високотехнологічної медичної допомоги мають високий комерційний потенціал. 1% населення схильне захворюванню немеланомнимі пухлинними захворюваннями шкіри. ФДТ дозволяє проводити їх лікування в нестаціонарних умовах за допомогою компактного приладу індивідуального користування.