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 15-13-00102

НазваниеРазработка перспективных препаратов на основе производных фуллеренов для профилактики и лечения социально значимых вирусных инфекций

РуководительПерегудов Александр Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2015 г. - 2017 г. 

Конкурс№6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований».

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

Ключевые словаОрганические материалы, органический синтез, гетероциклические соединения, медицинская химия, фуллерены, ЯМР спектроскопия, противовирусные средства, химия фуллеренов, водорастворимые производные фуллеренов

Код ГРНТИ31.21.19


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время вирусные инфекции составляют преобладающую часть (более 90%) инфекционной патологии человека. Гепатит С (ВГС), грипп, ВИЧ-инфекция, а также инфекции, вызванные вирусами простого герпеса (ВПГ) и цитомегаловирусом человека (ЦМВ) – чрезвычайно широко распространенные заболевания, ежегодно приводящие к значительным потерям практически во всех возрастных и социальных группах населения. Высокая инфицированность населения ВИЧ и ВГС представляет угрозу в связи с тем, что количество инфицированных в России уже значительно превышает два миллиона человек и продолжает расти. Существенный ущерб экономике нашей страны наносят ежегодные сезонные эпидемии гриппа. Одним из наиболее опасных является вирус гриппа птиц А/H5N1, который вызывает тяжелейшие заболевания с высокой смертностью. Несмотря на то, что пик заражения людей отмечался в 2006 г., высокопатогенные варианты вируса гриппа птиц встречаются и сегодня. Герпесвирусы вызывают заболевания, передающиеся половым путем, снижают репродуктивное здоровье населения, приводят к внутриутробным инфекциям и летальным исходам у новорожденных детей и лиц с пониженным иммунитетом. Для предотвращения заражения ВГС, ВИЧ, ВПГ и ЦМВ в настоящее время отсутствуют эффективные современные профилактические средства. Вакцины против гриппа широко используются в практическом здравоохранении, однако их эффективность не всегда высока в связи с часто меняющимся набором циркулирующих штаммов. В лечении вирусных инфекций в последнее время достигнут значительный прогресс. Имеющиеся препараты продлевают жизнь и повышают качество жизни пациентов, но имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, для лечения гепатита С и ВИЧ-инфекции требуется 2х-3х-компонентная терапия, а при часто возникающих у этих больных оппортунистических инфекциях список препаратов существенно расширяется. Во-вторых, имеющиеся средства нередко проявляют высокую токсичность, ограниченную биодоступность и развитие лекарственной устойчивости. В-третьих, практически все противовирусные препараты характеризуются высокой стоимостью и с учетом длительных курсов лечения являются малодоступными для населения. Приведенные данные указывают на актуальность темы и большое экономическое значение настоящего проекта, направленного на разработку новых высокоэффективных и доступных по стоимости отечественных препаратов против наиболее широко распространенных вирусов, вызывающих социально значимые заболевания. В качестве основы для новых препаратов, обладающих как профилактическим, так и терапевтическим действием, в настоящем проекте предлагается использовать производные фуллерена, в исследовании которых Россия занимает одно из ведущих мест в мире. Известно, что исследование биологической активности производных фуллеренов на протяжении длительного времени лимитировалось малой доступностью водорастворимых соединений, имеющих однозначно установленный состав и строение. Углеродные каркасы фуллеренов С60 и С70 являются чрезвычайно гидрофобными, и придание им необходимой растворимости в физиологических средах требует присоединения 5-6 функциональных групп ионной природы. Классические методы химической функционализации фуллеренов не дают эффективного решения этой задачи ввиду их низкой селективности. Поэтому в мировой литературе представлены единичные работы, выполненные на индивидуальных производных фуллеренов, стоимость которых чрезвычайно высока даже для исследовательских работ, не говоря о практическом использовании. Поэтому основной массив публикаций посвящен исследованию «водорастворимых форм» фуллеренов, которые представляют собой смеси большого числа компонентов с неизвестным составом и строением. Ситуация изменилась кардинальным образом после появления новых методов синтеза водорастворимых производных фуллеренов, разработанных исполнителями данного проекта. Самые разные типы производных фуллеренов теперь могут быть получены в 1-2 стадии с выходами более 70%: Chem. Commun., 2012, 48, 5461; Chem. Commun., 2011, 47, 8298; Chem. Commun., 2012, 48, 7158; Chem. Commun., 2012, 48, 8916. Эффективность синтеза указанных соединений делает их доступными и дешевыми (на порядки более дешевыми, чем существующие клинические анти-ВИЧ препараты). Большое число (>100) индивидуальных и полностью охарактеризованных водорастворимых производных фуллеренов получено по указанным методам. Заметим, что общее число ранее описанных в мировой литературе водорастворимых соединений фуллеренов не превышало 10. Предварительные исследования отдельных производных фуллеренов показали большие перспективы их использования в качестве противовирусных препаратов. Найдено несколько соединений, обладающих рекордно высокой активностью по отношению к различным вирусам, которые являются возбудителями серьезных инфекционных заболеваний. Отдельные соединения способны эффективно подавлять вирусы гриппа в наномолярных концентрациях (химиотерапевтические индексы ХТИ составляют несколько тысяч). Другие продемонстрировали высокую эффективность действия на герпесвирусные инфекции (ВПГ, ЦМВ), характеризующуюся величинами ХТИ более 5000. Целый ряд водорастворимых производных фуллеренов можно рассматривать как перспективные средства для борьбы с ВИЧ-инфекцией. Действующие концентрации для разных соединений находятся в нижнем микромолярном – верхнем наномолярном диапазоне. Установлено, что подавление ВИЧ происходит в результате эффективного ингибирования гликопротеина gp120, ответственного за вход вируса в клетки. Перспективы практического внедрения водорастворимых производных фуллеренов подтверждаются также их низкой токсичностью по отношению к клеткам и животным (ЛД50>800 мг/кг). Представленные примеры однозначно свидетельствуют о перспективах создания нового класса препаратов противовирусного действия на основе водорастворимых производных фуллеренов, что и является основной целью заявляемого проекта. Для достижения обозначенной цели в рамках проекта будет решаться ряд важнейших задач: 1. Осуществление направленного синтеза водорастворимых производных фуллеренов с высокой противовирусной активностью. Биологические свойства производных фуллеренов можно с высокой степенью достоверности прогнозировать на основании результатов исследований, выполненных заявителями проекта ранее. 2. Характеризация полученных соединений с использованием комплекса современных физико-химических методов исследования, включающего ЯМР спектроскопию на ядрах 1Н и 13С, двумерную корреляционную спектроскопию, масс-спектрометрию, ИК-спектроскопию и др. 3. Систематическое исследование полученных соединений на предмет цитотоксичности и противовирусной активности. Выявление наиболее перспективных соединений на основании результатов экспериментов in vitro. Исследование острой токсичности и противовирусной активности отдельных выбранных соединений на моделях in vivo. 4. Исследование действия различных по строению и свойствам производных фуллеренов на морфологию клеток, жизнеспособность, пролиферативную активность, субклеточную структуру, жизненный цикл. 5. Изучение молекулярных механизмов взаимодействия производных фуллерена с вирусами – возбудителями социально значимых заболеваний человека методами ультраструктурного анализа, иммуноцитохимии, ингибиторного анализа и физической химии. 6. Идентификация основных сигнальных путей, которые задействованы в ответе клеток человека на увеличение концентрации производных фуллеренов в межклеточной среде. Анализ влияния фуллеренов на транскрипционную активность генома клеток человека. 7. Установление корреляции между молекулярным строением производных фуллеренов и проявляемой ими противовирусной активностью и токсичностью. Итогом проекта станет выявление нескольких соединений – лидеров, обладающих высокой противовирусной активностью (в отдельных случаях - рекордной) в совокупности с низкой токсичностью. Эти соединения будут рекомендованы для проведения доклинических испытаний в качестве перспективных противовирусных препаратов.

Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта будет создание на основе производных фуллеренов нового класса противовирусных препаратов, характеризующихся высокой терапевтической эффективностью и низкой токсичностью. В частности, будут разработаны соединения, подавляющие широкий спектр вирусов гриппа серотипов А и В, вирусы простого герпеса ВПГ, цитомегаловирус ЦМВ, вирусы иммунодефицита человека первого и второго типа (ВИЧ-1, ВИЧ-2) и респираторный синцитиальный вирус. Итогом проекта станет выявление нескольких соединений-лидеров, которые будут рекомендованы к доклиническим исследованиям. Предварительные результаты, полученные ранее командой исполнителей, создают уверенность в успешном выполнении проекта. Можно отметить также ряд конкретных результатов, которые будут получены в ходе достижения основной цели проекта: 1. Будут разработаны эффективные подходы к синтезу различных по своей химической природе водорастворимых производных фуллеренов. Будет получено не менее 20 новых соединений, в т.ч. имеющих уникальное строение. Все производные фуллеренов будут охарактеризованы с использованием комплекса методов исследования: ЯМР спектроскопии на ядрах 1Н и 13С, двумерной корреляционной спектроскопии, масс-спектрометрии и др. 2. Будет проведено систематическое исследование цитотоксичности и острой токсичности (на мышах) полученных соединений. Ожидается, что все соединения будут малотоксичными с характеристичными дозами ЦД50>1000 мкг/мл и ЛД50>800 мг/кг. 3. Будут установлены закономерности действия различных по строению и свойствам производных фуллеренов на морфологию клеток, жизнеспособность, пролиферативную активность, субклеточную структуру, жизненный цикл. 4. Будут идентифицированы основные сигнальные пути, которые задействованы в ответе клеток человека на увеличение концентрации производных фуллеренов в межклеточной среде. Проведен анализ влияния фуллеренов на транскрипционную активность генома клеток человека. 5. Будут выявлены соединения, обладающие высокой активностью (ХТИ>400) по отношению к возбудителям распространенных (в том числе – опасных) инфекционных заболеваний: вирусам гриппа, вирусу простого герпеса ВПГ, цитомегаловирусу ЦМВ, вирусу иммунодефицита человека первого и второго типа (ВИЧ-1, ВИЧ-2), респираторному синцитиальному вирусу. Ожидается, что будут найдены соединения, обладающие выраженной активностью одновременно к двум или даже к трем указанным вирусам (ХТИ>100). 6. Будут изучены молекулярные механизмы взаимодействия производных фуллерена с вирусами – возбудителями социально значимых заболеваний человека методами ультраструктурного анализа, иммуноцитохимии, ингибиторного анализа и физической химии. 7. Будут найдены корреляции между молекулярным строением производных фуллеренов и проявляемой ими противовирусной активностью и токсичностью. Выявлены соединения – лидеры, которые могут быть рекомендованы для проведения доклинических испытаний в качестве перспективных противовирусных препаратов. Необходимо подчеркнуть, что установление корреляций «молекулярная структура – противовирусная активность», а также выявление молекулярных и клеточных механизмов действия производных фуллеренов создаст необходимые научные основы для создания и внедрения высокоэффективных противовирусных препаратов на основе производных фуллеренов. Разработка новых противовирусных лекарственных средств имеет огромное социальное и экономическое значение для нашей страны и всего мира. В разделе 4.2 формы 4 ниже детально обсуждаются эти аспекты и подчеркивается актуальность и важность заявляемого проекта. О высоком научном уровне данного проекта можно судить по его содержанию, а также обширному заделу исполнителей, представленному в разделе 4.8 формы 4 (см. ниже) и отраженному в десятках публикаций в высокорейтинговых международных научных журналах и почти 20 патентах. Результаты, которые будут получены в рамках проекта, будут также представлены в виде публикаций в ведущих российских и зарубежных изданиях: 1) Публикации в ведущем российском химическом журнале Mendeleev Communications (импакт-фактор >1.4): не менее 2 статей; 2) Публикации в профильном журнале MedChemComm (импакт-фактор 2.7) или аналогичных по рейтингу: не менее двух статей; 3) Публикации в высокорейтинговых международных журналах Organic and Biomolecular Chemistry и European Journal of Organic Chemistry (импакт-факторы 3.6 и 3.3, соответственно) – не менее 3 статей; 4) Публикации в ведущих международных научных журналах уровня Chemical Communications (импакт фактор более 6) – не менее 2-х публикаций. Таким образом, за три года планируется опубликовать не менее 9 статей суммарным импакт-фактором около 30.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1. Получена большая группа новых водорастворимых производных фуллеренов. В рамках проекта в 2015 году выполнена обширная работа по синтезу новых водорастворимых производных фуллеренов. Разработано два метода синтеза, приводящих к водорастворимым поликарбоксильным производным фуллеренов нового, ранее не исследованного, класса. Получено 14 новых водорастворимых производных фуллеренов. Состав и строение полученных соединений были надежно подтверждены современными физико-химическими методами исследований: ЯМР спектроскопией на ядрах 1Н и 13С, двумерной корреляционной спектроскопией, масс-спектрометрией и т.п. С использованием метода ДРС было показано, что полученные водорастворимые производные фуллеренов образуют в водных растворах наноразмерные агрегаты. 2. В экспериментах in-vitro исследована противовирусная активность синтезированных водорастворимых производных фуллеренов. Показано, что все исследованные водорастворимые производные фуллеренов проявляют активность по отношению к ВПГ в различных схемах воздействия со значениями ХТИ, превышающими 500. Было установлено, что наиболее перспективным для дальнейших исследований является производное фуллерена С60, содержащее фрагменты аспарагиновой кислоты. Оно характеризуется высокой эффективностью противовирусного действия в отношении обеих изученных герпесвирусных инфекций - ВПГ и ЦМВ этиологии: в микробицидной (ХТИ=519 и 90, соответственно), вирулицидной (вируснейтрализующей, ХТИ=5400 и 1500, соответственно) и терапевтической (ХТИ=245 и 97, соответственно) схемах воздействия. Для соединения, содержащего фрагменты N-метиламинобутановой кислоты, была обнаружена ярко выраженная активность по отношению к двум штаммам ВИЧ (ВИЧ-1, ВИЧ-2), сопоставимая с активностью коммерческого препарата Тенофовира®. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности проведения дальнейших исследований противовирусных свойств производных фуллеренов. 3. Исследованы флуоресцентные свойства производных фуллеренов и разработаны подходы к анализу содержания и локализации фуллеренов в составе клеточных структур. Для анализа локализации производных фуллеренов в составе клеточных структур было опробовано три группы методов: (1) флуорересценция в водных растворах с использованием спектрофлуориметра; флуоресценция клеток и среды с использованием флуоресцентного планшетного ридера; (2) проточная цитометрия и (3) флуоресцентная микроскопия. Было показано, что производное фуллерена С70, содержащее фенилпропилмалонатные адденды, в течение 3 - 24 часов проникает через клеточную мембрану ФЛЭЧ, локализуется в цитоплазме, накапливаясь вблизи клеточного ядра. Этот результат был независимо подтверждён тремя группами методов, указанными выше. 4. Исследовано влияние фуллеренов на пролиферацию и клеточный цикл культивируемых фибробластов легкого эмбриона человека (ФЛЭЧ). Было показано, что добавление в среду культивирования ФЛЭЧ производного фуллерена С70 с фенилпропилмалонатными аддендами в нетоксичной концентрации (4 нМ - 20 мкМ) через 24 - 48 часов, по данным экспрессии маркеров Ki-67 и PCNA, сопровождается блокированием пролиферативной активности части клеток ФЛЭЧ. При этом, вероятно, происходит активация репаративного синтеза с участием PCNA. Кроме того, было обнаружено, что исследованное соединение через 24 -48 часов блокирует прогрессию клеточного цикла в фазе G0/G1. Установлено, что снижение пролиферативной активности клеток ФЛЭЧ при воздействии фуллерена сопровождается снижением уровня апоптоза, при этом количество клеток не уменьшается, а даже несколько увеличивается. Таким образом, обработка клеток ФЛЭЧ производными фуллеренов может приводить к повышению их выживаемости. 5. Получена информация о влиянии фуллеренов на образование разрывов ДНК клеток (ФЛЭЧ). Показано, что производное фуллерена С70, содержащее фенилпропилмалоновые адденды, в наномолярной концентрации (4 нМ) не вызывает образования разрывов ДНК клеток ФЛЭЧ, что не зависит от длительности воздействия соединения на клетки. Кроме того, в ответ на присутствие фуллерена, клетки могут активировать системы ответа на повреждение ДНК, что может приводить к повышению выживаемости клеток и, как следствие, большей устойчивости к внешнему воздействию (в том числе, со стороны вирусов). 6. Исследовано влияние фуллеренов на уровень АФК в клетках (ФЛЭЧ), на экспрессию (на уровне РНК и белка) генов, отвечающих за развитие окислительного стресса (семейства NOX) и антиокислительный ответ (гены, контролируемые фактором транскрипции NRF2). Показано, что производное фуллерена С70, содержащее фенилпропилмалоновые адденды, проявляет сильную антиоксидантную активность в отношении клеток (ФЛЭЧ). Однако нелинейная зависимость изменения уровня АФК от времени действия этого соединения при различных концентрациях указывает на сложный характер воздействия фуллерена на уровень АФК в клетках и среде культивирования. Необходимо проведение дальнейших исследований, чтобы понять механизм развития этой антиоксидантной активности и найти способы пролонгировать антиоксидантное действие фуллерена. 7. Изучена острая токсичность и противовирусная активность in vivo производного [60]фуллерена с фрагментами аспарагиновой кислоты на модели экспериментальной герпесвирусной инфекции мышей. Для производного [60]фуллерена с фрагментами аспарагиновой кислоты в экспериментах на мышах была исследована острая токсичность. Были определены концентрации, вызывающие гибель 50% и 100% животных (ЛД50 и ЛД100, соответственно), а также максимальная переносимая доза (МПД). Получены следующие результаты: ЛД50=365 мг/кг, ЛД100 = 600 мг/кг и МПД = 200 мг/кг. Значение ЛД50 исследованного производного фуллерена превышает 100 мг/кг, что позволяет его отнести к малотоксичным соединениям согласно токсикологической классификации. Низкая токсичность соединения на животных указывает на перспективы его дальнейшего исследования в качестве перспективного противовирусного препарата. При проведении исследований in-vivo на модели экспериментальной герпесвирусной инфекции мышей производное [60]фуллерена с фрагментами аспарагиновой кислоты проявило себя в качестве эффективного противовирусного препарата. Защитный эффект производного фуллерена составил 80%. Высокая противовирусная активность в совокупности с низкой токсичностью исследованного соединения является серьезным основанием рекомендовать его для проведения клинических испытаний. 8. Найдены корреляции между молекулярным строением производных фуллеренов и проявляемой ими активностью по отношению к ВПГ. В частности, было обнаружено, что: 1. активность производных фуллеренов в вирулицидной схеме воздействия зависит от строения и числа органических аддендов, присоединённых к фуллереновому каркасу, и не зависит от размера фуллеренового каркаса и мотива расположения аддендов на нём; 2. с увеличением числа карбоксильных групп в молекулах производных фуллеренов одного класса увеличивается противогерпетическая активность соединени; 3. соединения, содержащие короткий линкер между фуллереновым каркасом и карбоксильными группами, не проявляют противовирусной активности в вирулицидной схеме, однако проявляют высокую активность в микробицидной и профилактической схемах воздействия. Установление корреляций «молекулярная структура – противовирусная активность» создает необходимые научные основы для дальнейшей разработки в 2016-2017 гг высокоэффективных противовирусных препаратов, которые могут быть рекомендованы для проведения доклинических и клинических исследований.

 

Публикации

1. Ершова Е.С., Сергеева В.А., Чающева А.И., Жегло Д.Г., Никитина В.А., Смирнова Т.Д., Каменева Л.В., Пороховник Л.Н., Куцев С.И., Трошин П.А., Воронов И.И., Хакина Е.А., Вейко Н.Н, Костюк С.В. Functionalized Fullerene [C60] Changes the ROS Level, DNA Damage, and Cell Death in Human Embryonic Lung Fibroblasts Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 805 (2016) 46–57 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2016.05.004

2. Хакина Е.А., Перегудов А.С., Юркова А.А, Пивень Н.П., Шестаков А.Ф., Трошин П.А. Unusual multistep reaction of C70Cl10 with thiols producing C70[SR]5H Tetrahedron Letters, 2016, 57, 1215-1219 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2016.01.066


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ С РИСУНКАМИ И ТАБЛИЦАМИ ПРЕДСТАВЛЕНЫ ВО ВЛОЖЕННОМ ФАЙЛЕ В рамках проекта в 2016 году выполнена обширная работа по синтезу водорастворимых производных фуллеренов и исследованию их биологической активности. Получено более 40 новых функциональных производных фуллеренов, из которых более половины – водорастворимые соединения. Ниже будут более подробно обозначены основные результаты проведенных исследований. 1. Разработаны подходы к синтезу производных фуллеренов с большим числом солюбилизирующих карбоксильных групп Впервые показана возможность использования эфиров фенилендиуксусных кислот в качестве реагентов для функционализации хлорфуллеренов С60Cl6 и C70Cl8. Этот метод позволил получить индивидуальные производные С60 и С70 с 10 и 16 присоединенными карбоксильными группами, соответственно (схема R1). Ожидается, что полученные соединения покажут высокую анти-ВИЧ активность за счет эффективного ингибирования гликопротеина gp120, ответственного за связывание вируса с мембраной клеток. Схема R1. Условия реакций: i – FeCl3, сухой PhNO2, 80 оС, 24 ч; ii –HCl/CH3COOH/PhCH3, 65 оС, 70 ч 2. Обнаружена уникальная «обращенная» реакция Арбузова, позволяющая замещать атом галогена, присоединенный к фуллереновому каркасу, на алкильные группы Случайным образом было обнаружено, что атом хлора, присоединенный к центральному циклопентадиеновому фрагменту на фуллереновом каркасе, в реакциях с триалкилфосфитами замещается не на фосфонатную группу, как в классической реакции Арбузова, а на алкильный остаток (Схема R2). Подобное необычное протекание реакции, которую можно называть «обращенной реакцией Арбузова», наблюдается впервые, и потому заслуживает детального исследования. С практической точки зрения реакция крайне полезна, т.к. позволяет получать ранее недоступные (или труднодоступные) производные фуллеренов с близкими к количественным выходами. В рамках проекта синтезирована серия соединений 29-35 (Схема R2), исследование биологических свойств которых позволит выявить важнейшие корреляции типа «структура-свойство». Схема R2. 3. Получена большая группа новых водорастворимых производных фуллеренов. На рисунке R1 представлены молекулярные формулы новых водорастворимых производных фуллеренов, синтезированных в 2016 году. Рисунок R1. Молекулярные формулы производных фуллеренов, синтезированных в рамках проекта в 2016 году Всего было синтезировано 22 новых водорастворимых производных фуллеренов. Лишь производные С70 41 и 42 были получены в виде смесей изомеров, тогда как все остальные соединения представляли собой индивидуальные хроматографически-чистые вещества, состав и молекулярное строение которых были надежно подтверждены современными физико-химическими методами исследований: ЯМР спектроскопией на ядрах 1Н и 13С, двумерной корреляционной спектроскопией, масс-спектрометрией и т.п. 4. Детально исследовано влияние поликарбоксильных производных фуллеренов, эффективно ингибирующих герпесвирусные инфекции, на жизнедеятельность эмбриональных фибробластов легкого человека Обнаружено, что водорастворимые производные фуллерена I-8 и I-9 (см. формулы на рисунке R4 ниже) демонстрируют выраженную красную флуоресценцию, которая позволяет исследовать их накопление и локализацию в эмбриональных фибробластах легкого человека (ФЛЭЧ). Показано, что соединения I-8 и I-9 быстро (в течение 1 часа) проникают через клеточную мембрану ФЛЭЧ и локализуется в цитоплазме (рисунок R2). Рисунок R2. Микрофотографии культуры клеток ФЛЭЧ, обработанных соединением I-8, полученные с помощью обычного оптического (слева) и флуоресцентного (в центре) микроскопа. Справа показано совмещение оптического и флуоресцентного изображений Соединения I-8 и I-9 в концентрации 4 мкг/мл вызывают незначительное повышение количества двунитевых разрывов и окислительных повреждений ДНК в ФЛЭЧ в период «раннего» ответа (в течение 1 часа, I-8 – в меньшей степени, чем I-9), что ассоциировано с повышенной экспрессией гена NOX4. При этом соединения I-8 и I-9 активируют в клетках ФЛЭЧ системы репарации ДНК, которые приводят к быстрому снижению числа вызванных этими соединениями разрывов ДНК ниже контрольных значений (культура клеток без добавки производных фуллеренов). Наблюдалось незначительное усиление пролиферативной активности ФЛЭЧ в течение 6 суток после добавления соединений I-8 и I-9 в концентрации 1-4 мкг/мл, что связано с активацией процесса деления в клетках и ингибированием процесса апоптоза (снижается соотношение про- и антиапоптотических генов BCL2/BAXв клетках). Все исследованные концентрации соединений I-8 и I-9 (0.2 мкг до 25 мкг) эффективно снижают уровень АФК в клетках при их добавлении к среде культивирования в течение 1 часа (рисунок R3), что указывает на перспективы их использования в качестве эффективных антиоксидантов. Рисунок R3. Гистограммы, отражающие зависимость уровня АФК в клетках от времени инкубирования и от концентрации I-8 и I-9 в клетках. (*) по критерию Манна-Уитни данные отличаются от контроля, зеленая линия (p<0.05) 5. Показана высокая эффективность действия полученных в 2015 г. водорастворимых производных фуллеренов на цитомегаловирус и вирус иммунодефицита человека Установлено, что соединение I-8 (рисунок R4) уже в субмикромолярных или низких микромолярных концентрациях эффективно подавляет цитомегаловирус (ЦМВ) во всех четырех схемах воздействия: профилактической, вирулицидной, микробицидной и терапевтической. Соединение I-9 показало сопоставимые характеристики за исключением того факта, что оно было неэффективным в профилактической схеме воздействия. Считается, что достижение химиотерапевтического индекса (ХТИ), равного 100, указывает на перспективы практического внедрения исследуемого соединения как противовирусного препарата. Для соединений I-8 и I-9 были получены ХТИ от 400 до 16000, что свидетельствуют об их исключительно высокой активности по отношению к ЦМВ. Подчеркнем, что все ранее исследованные производные фуллеренов (в том числе в 2015 г. в рамках проекта) демонстрируют как минимум на порядок более низкие активности против ЦМВ. Соединения I-2 – I-5, I-7 и I-10 (рисунок R4) показали высокую активность против двух разновидностей вируса ВИЧ-1. Эффективные концентрации препаратов (ИД50) лежат в нижнем микромолярном диапазоне. Для двух соединений (I-3 и I-4) была показана также высокая активность по отношению к вирусам ВИЧ не только первого, но и второго типа. Необходимо подчеркнуть, что все исследованные производные фуллеренов по своей анти-ВИЧ активности сопоставимы или превосходят коммерческий антиретровирусный препарат Тенофовир®. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой перспективности использования созданных в 2015 г. производных фуллеренов как противорусных средств широкого спектра действия, эффективно подавляющих не только герпесвирусные инфекции, но и ВИЧ. Рисунок R4. Молекулярные формулы производных фуллеренов, показавших высокую активность по отношению к ЦМВ и ВИЧ 6. В 2016 г. получена серия новых водорастворимых производных фуллеренов, эффективно подавляющих герпесвирусные инфекции Проведено систематическое исследование противовирусной активности полученных в 2016 г. водорастворимых производных фуллеренов по отношению к возбудителям герпесвирусных инфекций (ВПГ и ЦМВ). Выявлена группа соединений, эффективно подавляющих как ВПГ, так и ЦМВ (рисунок R5). Найдено одно производное фуллерена 11, показавшее высокую антигерпетическую активность в трех различных схемах воздействия с ХТИ>100. Это соединение заслуживает дальнейшего исследованияна моделях in-vitro и in-vivo. Рисунок R5. Молекулярные формулы производных фуллеренов с высокой активностью по отношению к ВПГ и ЦМВ

 

Публикации

1. Авилова И.А., Черняк А.В., Жиленков А.В., Трошин П.А., Волков В.И. Self-organization of a water-soluble fullerene derivative studied by pulsed field gradient NMR spectroscopy Mendeleev Commun., 26, 2, 146–148 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2016.03.022

2. Хакина Е.А., Краевая О.А., Попова М.Л., Перегудов А.С., Троянов С.И., Черняк А.В., Мартыненко В.М., Куликов А.В., Сколс Д., Трошин П.А. Synthesis of different types of alkoxy fullerene derivatives from chlorofullerene C60Cl6 Org. Biomol. Chem., - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1039/C6OB02251K

3. Хакина Е.А., Ямилова О.Р., Новиков А.В., Годовиков И.А., Перегудов А.С., Трошин П.А. Toward an understanding of the mechanism of the Arbuzov-type reaction of C60Cl6 with phosphites Tetrahedron Letters, 57, 50, 5570-5574 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2016.08.080


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году выполнена обширная работа по синтезу новых водорастворимых производных фуллеренов и исследованию их биологической активности. Получено более 50 новых функциональных производных фуллеренов, из которых 25 водорастворимые соединения. Объем реально выполненной работы существенно превышает план на 2017 г., что свидетельствует об успешном развитии исследований в рамках проекта. Ниже более подробно будут обозначены основные результаты проведенных исследований. 1. Разработаны подходы к синтезу производных фуллеренов, содержащих солюбилизирующие адденды с жесткой молекулярной структурой Результаты исследования биологической активности полученных ранее производных фуллеренов указывают на тот факт, что карбоксильные группы участвуют в связывании производного фуллерена с вирусной мишенью. Например, в случае вируса ВИЧ происходит связывание с гликопротеином gp120, что было показано нами ранее на примере отдельных карбоксильных производных фуллерена С70. В 2017 году впервые показана возможность использования эфиров 1-фенилциклогексан и 1-фенилциклопентан карбоновой кислот, а также флурбипрофена в качестве реагентов для функционализации хлорфуллерена С60Cl6. Этот метод позволил получить индивидуальные производные С60 с достаточно жесткой молекулярной структурой, обеспечивающей различное пространственное расположение карбоксильных групп. Схема R1. Схема синтеза производных фуллерена 38-43 с жесткой молекулярной структурой. 2. Получены водорастворимые производные фуллеренов C60 и C70, содержащие фрагменты 3-фенилглутаровой кислоты Путем использования в качестве реагента диметилового эфира 3-фенилглутаровой кислоты удалось решить проблему селективности реакции Фриделя-Крафтса и получить водорастворимые производные фуллеренов С60 и С70, содержащие 10-16 карбоксильных групп в своей структуре. 3. Разработаны новые методы получения водорастворимых производных фуллерена со связью С(каркас)-С(адденд) Одной из важнейших задач проекта была разработка новых методов получения водорастворимых производных фуллерена на основе реакций хлорфуллерена C60Cl6 с С-H кислотами. Частично эта задача была решена в 2015 году, когда была обнаружена реакция хлорфуллерена с диметилмалонатом в присутствии NaH и краун-эфира. Продуктами этого превращения стали водорастворимые производные I-8 и I-9, показавшие рекордные эффективности ингибирования цитомегаловируса. В 2017 году были разработаны два новых метода получения водорастворимых производных фуллерена со связью С(каркас)-С(адденд) на основе реакций C60Cl6 с C-H кислотами. 4. Получена большая группа новых водорастворимых производных фуллеренов. На рисунке R1 представлены молекулярные формулы водорастворимых производных фуллеренов, синтезированных в 2017 году. Рисунок R1. Молекулярные формулы производных фуллеренов, синтезированных в рамках проекта в 2017 году Всего было синтезировано 25 водорастворимых производных фуллеренов. Все полученные соединения представляют собой индивидуальные хроматографически-чистые вещества, состав и молекулярное строение которых были надежно подтверждены современными физико-химическими методами исследований: ЯМР спектроскопией на ядрах 1Н и 13С, двумерной корреляционной спектроскопией, масс-спектрометрией и т.п. Необходимо подчеркнуть, что объем синтетической части работы в рамках проекта в 2017 году был перевыполнен фактически в 3.5 раза, т.к. запланировано было получение всего 7 новых водорастворимых производных фуллеренов. Столь существенное превышение плана свидетельствует об успешном выполнении проекта. 5. Детально исследовано влияние поликарбоксильных производных фуллеренов, эффективно ингибирующих герпесвирусные инфекции, на жизнедеятельность эмбриональных фибробластов легкого человека Обнаружено, что водорастворимое производное фуллерена II-19 демонстрирует выраженную флуоресценцию, которая позволяет исследовать его накопление и локализацию в эмбриональных фибробластах легкого человека(ФЛЭЧ). Показано, что в течение 1-24 часов в условиях культивирования ФЛЭЧ соединение II-19 проникает через клеточную мембрану, накапливаясь в цитоплазме. Показано, что все исследованные концентрации соединения II-19 эффективно снижают уровень активных форм кислорода в клетках при его добавлении к среде культивирования в течение 1 часа, что делает перспективным использование соединения II-19 в качестве эффективного антиоксиданта кратковременного действия (рис. R2). Рисунок R2. Гистограммы, отражающие зависимость уровня АФК в клетках от концентрации соединения II-19 в среде культивирования и от времени инкубирования - 1 час (А) и 24 часа (Б). Соединение II-19 в концентрации (0,3 - 30) мкг/мл вызывает незначительное повышение количества двунитевых разрывов и окислительных повреждений ДНК в ФЛЭЧ в период «позднего» ответа (через 3 - 24 часа, 4 суток). Через 3 часа после добавления II-19 происходит кратковременная остановка клеточного цикла в клетках, что связано с активацией системы репарации ДНК в клетках, приводящей к быстрому снижению числа вызванных этими соединениями разрывов ДНК. Соединение II-19 не активирует пролиферацию в клетках. Таким образом, апоптотический процесс регулируется несколькими факторами, и результирующий эффект складывается из суммирования всех составляющих. Соединение II-19 в концентрации 3 мкг/мл не активирует в течение 3 суток апоптоз клеток, а в концентрации 30 мкг/мл приводит к повышению апоптоза в популяции ФЛЭЧ. Соединение II-19 не усиливает экспрессию транскрипционных факторов NRF2 и NF-kB ни на уровне белков, ни на уровне генов в течение 3-24 часов, однако оба транскрипционных фактора перемещаются в ядро клеток, что свидетельствует об их активности. Через 4 суток происходит увеличение экспрессии транскрипционного фактора NF-kB, что может активировать провоспалительный ответ в клетках. Активация провоспалительного ответа может обуславливать противовирусную активность исследуемого соединения, еще одним фактором, способствующим активации противовирусной активности, является стимуляция производным фуллерена II-19 процесса аутофагии в клетках. 6. Показана высокая эффективность действия полученных в 2016 г. водорастворимых производных фуллеренов на цитомегаловирус, вирус простого герпеса и вирус иммунодефицита человека В 2017 г. было проведено детальное исследование биологической активности некоторых водорастворимых производных фуллеренов, синтезированных в рамках проекта в 2016 г. Найдены препараты, демонстрирующие выраженное противовирусное действие по отношению к ВИЧ, ВПГ и ЦМВ с химиотерапевтическими индексами (ХТИ), достигающими 300-670. Считается, что достижение ХТИ, равного 100, указывает на перспективы практического внедрения исследуемого соединения как противовирусного препарата. Таким образом, полученные в результаты свидетельствуют о высокой перспективности использования созданных в 2016 г. производных фуллеренов как противовирусных средств широкого спектра действия, эффективно подавляющих не только герпесвирусные инфекции, но и ВИЧ. 7. В 2017 г. получена серия новых водорастворимых производных фуллеренов, эффективно подавляющих герпесвирусные инфекции Проведено систематическое исследование противовирусной активности полученных в 2017 г. водорастворимых производных фуллеренов по отношению к возбудителям герпесвирусных инфекций (ВПГ и ЦМВ). Выявлена группа соединений, эффективно подавляющих как ВПГ, так и ЦМВ. Найдено производное фуллерена, показавшее высокую антигерпетическую активность в четырех различных схемах воздействия с рекордными значениями ХТИ, достигающими 1409, а также анти-ЦМВ активность в терапевтической схеме воздействия. Обнаружено также, что другое соединение демонстрирует анти-ВПГ активность в трех схемах воздействия и анти-ВЦМ активность во всех четырех схемах воздействия с ХТИ>100. Эти соединения заслуживают дальнейшего исследования на моделях in-vitro и in-vivo. 8. Показана высокая эффективность подавления герпесвирусных инфекций производными фуллеренов в экспериментах in-vivo на мышах Производное фуллерена, проявившее лечебные свойства в отношении ВПГ1-инфекции в опытах in vitro, было изучено на экспериментальной модели кожной ВПГ1-инфекции in vivo. Соединение наносили мышам местно в места заражения, в качестве положительного контроля использовали мазь, содержащую 5% АЦВ, которую наносили как однократно, так и в течение 3 дней. Было установлено, что у животных контрольной группы (без лечения) через 2 суток после заражения появились единичные эрозии (2 балла), максимальные герпетические поражения кожи выявлены на 3 сутки и 5 сутки (4±0,6 балла и 4±0,7 балла соответственно), на 6 сутки после заражения 2/5 (40%) животных погибло. У оставшихся выживших мышей к концу срока наблюдения (10 сутки) оставались единичные эрозии и покраснения (0,75±0,9 балла). В группе с положительным контролем при однократном применении АЦВ-А на 4-6 сутки после заражения у животных наблюдали большие эрозивные изъязвления (4±2,5 балла) и на 7 сутки 2/5 (40%) животных пали. У выживших мышей к 10 суткам оставались ВПГ1-специфические эрозии. Напротив, при однократном применении производного фуллерена клинические проявления кожной ВПГ1-инфекции выражались лишь в виде единичных эрозий (2,7±1,6 балла), а к 7 суткам наблюдали полное выздоровление всех животных (рис. R3). Анализ полученных результатов показал, что однократное применение производного фуллерена привело к статистически значимому уменьшению клинических проявлений ВПГ1-инфекции в сроки, статистически значимо меньшие по сравнению с контролем, т.е. животными, обработанным физиологическим раствором, а также АЦВ однократно (р<0,05). Рисунок R3. Изменения клинических проявлений ВПГ1-инфекции у мышей в результате лечения соединением II-11 (обозначено как VI-491-1K) и ацикловиром Полученные результаты однозначно подтвердили эффективность действия антигерпетического фуллеренсодержащего препарата на модели in-vivo. Таким образом, есть все основания рекомендовать разработанные производные фуллеренов с набольшей антигерпетической активностью для проведения доклинических и последующих клинических испытаний с целью их последующего внедрения в лечебной практике.

 

Публикации

1. Авилова И.А., Хакина Е.А., Краевая О.А., Котельников А.И., Котельникова Р.А., Трошин П.А., Волков В.И. Self-diffusion of water-soluble fullerene derivatives in mouse erythrocytes BBA Biomembranes, - (год публикации - 2017)

2. Воронов И.И., Мартыненко В.М., Черняк А.В., Бальзарини Я.,Сколс Д., Трошин П.А. Synthesis and antiviral activity of water-soluble polycarboxylic derivatives of [60]fullerene loaded with 3,4-dichlorophenyl units Mendeleev Communications, - (год публикации - 2017)

3. Жиленков А.В., Перегудов А.С., Черняк А.В., Мартыненко В.М., Трошин П.А. Synthesis of chlorinated fullerenes C60Cln(n=2, 4) from C60Cl6 and their Arbuzov-type reaction with P(OEt)3 Tetrahedron Letters, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2017.11.047

4. Краевая О.А., Перегудов А.С., Мартыненко В.М., Трошин П.А. Facile synthesis of isomerically pure fullerenols C60(OH)5Br and 1,4-C60(OH)2 from chlorofullerene C60Cl6 Tetrahedron Letters, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2017.10.054

5. Хакина Е.А., Трошин П.А. Halogenated fullerenes as precursors for the synthesis of functional derivatives of C60and C70 Russian Chemical Reviews, 9, 86, 805-830 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1070/RCR4693


Возможность практического использования результатов
В настоящее время вирусные инфекции составляют преобладающую часть (более 90%) инфекционной патологии человека. ВИЧ-инфекция, а также инфекции, вызванные вирусами простого герпеса (ВПГ) и цитомегаловирусом человека (ЦМВ) – чрезвычайно широко распространенные заболевания, ежегодно приводящие к значительным потерям практически во всех возрастных и социальных группах населения. Имеющиеся препараты продлевают жизнь и повышают качество жизни пациентов, но имеют ряд существенных недостатков, таких как высокая токсичность, развитие лекарственной устойчивости, высокая стоимость и малая доступность. Разработка противовирусных средств нового поколения позволит решить существующие проблемы. Одним из важнейших результатов проекта стало выявление группы водорастворимых производных фуллеренов, обладающих высокой противовирусной активностью по отношению к вирусам простого герпеса, иммунодефицита человека и цитомегаловируса in vitro (на линиях клеток). Продемонстрирована высокая активность одного из соединений против вируса простого герпеса in vivo (на мышах) при местном нанесении. Таким образом, есть все основания рекомендовать разработанные производные фуллеренов с набольшей антигерпетической активностью для проведения доклинических и последующих клинических испытаний с целью их последующего широкого внедрения в лечебной практике. Подчеркнем, что найдены препараты, демонстрирующие выраженное противовирусное действие по отношению к ВИЧ, ВПГ и ЦМВ с рекордными химиотерапевтическими индексами (ХТИ), превосходящими 16000. Считается, что достижение ХТИ, равного 100, указывает на перспективы практического внедрения исследуемого соединения как противовирусного препарата. Таким образом, полученные в результаты свидетельствуют о высокой перспективности практического использования разработанных производных фуллеренов как противовирусных средств широкого спектра действия, эффективно подавляющих не только герпесвирусные инфекции, но и ВИЧ.