Синтез и фотохимические свойства новых субфталоцианинов бора – перспективных соединений для тераностики онкологических заболеванийНИР

Synthesis and photochemical properties of new boron subphthalocyanines as promising compounds for cancer theranostics

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 4 апреля 2021 г.-15 ноября 2021 г. Синтез и фотохимические свойства новых субфталоцианинов бора – перспективных соединений для тераностики онкологических заболеваний
Результаты этапа: В рамках первого этапа выполнения Проекта осуществлена разработка методов синтеза субфталоцианинов бора, содержащих функциональные группы по периферии макрокольца и в аксиальном положении. Для полученных соединений изучены фотохимические характеристики (выход генерации синглетного кислорода, выходы флуоресценции). Проведен скрининг темновой цитотоксичности новых соединений с применением МТТ теста на трёх клеточных линиях меланом (Colo679, Colo849 и BRO). В результате проведенного исследования выделены наиболее перспективные для целей тераностики (фотодинамическая терапия+флуоресцентная диагностика) субфталоцианины бора. 1. Синтез функционально замещенных субфталоцианинов бора Субфталоцианиновое макрокольцо формировалось темплатным методом в высококипящем растворителе в присутствии тригалогенидов бора (BCl3 или BBr3). Введение периферических групп осуществлялось двумя способами: (1) путём получения субфталоцианинов из функционально-замещенных о-фталонитрилов и (2) методом постсинтетической модификации, когда периферические группы модифицировались в уже сформированном субфталоцианине. С использованием первого подхода получены субфталоцианиновые комплексы 2a-h. Наилучших выходов удалось достичь за счёт использования кипящего о-дихлорбензола (о-ДХБ) в качестве среды протекания реакции. Однако для синтеза фенил-замещенного комплекса наиболее приемлемым в качестве растворителя оказался кипящий пара-ксилол. Использование о-ДХБ привело к получению следовых количеств субфталоцианина 2f. Для получения субфталоцианиновых комплекcов 2b и 2g исполнителями Проекта Моисеевой Е.О. и Горбуновой Е.А. предварительно синтезированы соответствующие фталонитрилы. При получении 4-йод-фталонитрила 1b использовалась модифицированная методика диазотирования/йодирования в присутствии п-толуолсульфокислоты (p-TsOH) в среде ацетонитрила (Схема 2). Данный метод впервые применяется для синтеза галоген-замещенных фталонитрилов. Основными его преимуществами является то, что реакция проходит при комнатной температуре и позволяет получить целевое соединение с выходом 80% без проведения очистки методом колоночной хроматографии. Данный выход на 10% выше полученного в литературе при использовании классической методики диазотирования/йодирования [Can J Chem, 1985, 63, 3057]. Для получения 4-(карбоэтокси)фенил замещенного о-фталонитрила использовали реакцию нуклеофильного замещения, которая протекает достаточно легко (90оС, выход – 81%) для активированного электронокцепторными цианогруппами группами субстрата – 4,5-дихлор-фталонитрила. Таким образом, получены субфталоцианины бора, содержащие как электронодонорные (алкил-, фенил-, фенокси-), так и электроноакцепторные (4-(карбоэтокси)фенил-, галоген-) функциональные группы. Фенокси-замещенный субфталоцианин бора использован в качестве объекта для поиска оптимальных условий замены аксиального лиганда. Замена аксиального атома хлора на феноксигруппу производилась в две стадии. Сначала осуществлялась замена хлора на легкоуходящий трифторметансульфонат (OTf). Затем, без предварительного выделения трифлат-замещенного субфталоцианина, вводилась феноксигруппы в присутствии третичного амина – диизопропилэтиламина (DIPEA) в качестве основания (Схема 3). Исполнителями Проекта Косовым А.Д. и Моисеевой Е.О. проверены два возможных пути введения в молекулу субфталоцианина структурных фрагментов, содержащих гидрокси-группы, с целью получения прекурсоров для синтеза гибридных материалов. Получение самих гибридных материалов на основе субфталоцианинов и диоксида титана, а также субфталоцианинов и наночастиц золота запланировано осуществить на втором этапе выполнения Проекта. Первый путь заключался в проведении реакции Соногашира между пропаргиловым спиртом и 4-йод-фталонитрилом, и последующей попытке синтеза субфталоцианинового комплекса (Схема 4). Синтез проводили в среде ТГФ и триэтиламина при комнатной температуре, в качестве катализаторов использовались иодид меди(I) и дихлоробис(трифенилфосфин) палладий. Обнаружено, что полученный нитрил не вступает в макроциклизацию в присутствии тригалогенидов бора и не образует субфталоцианиновый комплекс. Это можно объяснить тем, что терминальная гидрокси-группа способна при высокой температуре (180оС для кипящего о-ДХБ или 139оС для п-ксилола) за счёт нуклеофильной атаки раскрывать субфталоцианиновое макрокольцо с образованием линейного полимера. В связи с этим было принято решение вводить 3-гидроксипроп-1-ин-1-ильную группу непосредственно в субфталоцианин. Для того чтобы избежать протекания реакции аксиального замещения по атому бора (пример такой реакции приведен в работе [J. Porphyrins Phthalocyanines, 2017; 21: 539–546]), предварительно провели введение защитной феноксигруппы. Полученный трийод-субфталоцианина бора фенолят был введен в реакцию кросс-сочетания Соногашира с пропаргиловым спиртом в присутствии триэтиламина в качестве основания, тетракис(трифинилфосфина) палладия (0) и йодида меди (I) в качестве катализаторов. Полученный субфталоцианин с терминальными гидроксигруппами по периферии макрокольца ввели в реакцию замещения с метансульфонилхлоридом. Данная защитная группа выбрана для того, чтобы на втором этапе выполнения Проекта возможно было получить меркапто-производное по соседству с тройной связью. Данные субфталоцианины будут использованы для получения гибридных наночастиц на втором этапе выполнения Проекта. Непредельные спирты вводились не только в периферические положения субфталоцианинов, но и в аксиальное. В данном случае осуществлялась замена аксиального атома брома. Реакция проходила достаточно легко, и не потребовалось вводить трифторметансульфонат, в качестве легкоуходящей группы. В качестве аксиальных заместителей, для изучения взаимосвязи структура комплексов-фотохимические свойства выбраны непредельные спирты с различной длинной алкильной цепочки, связывающей гидроксигруппу и тройную связь: пропаргиловый спирт, 3-бутин-1-ол и 5-гексин-1-ол (схема 5). Выходы целевых соединений составляли 60-70%. Стоит отметить, что длина углеводородной цепочки в аксиальном лиганде практически не влияет на положение максимума в спектре поглощения полученных субфталоцианинов. Протестирован метод введения защищенной тиольной группы (тиоацетатной группы) через стадию получения тозилата (схема 6). Целевой нитрил получен с достаточно высоким выходом и будет использован на втором этапе выполнения Проекта для синтеза гибридных наночастиц золота, ковалентно связанных с молекулами субфталоцианинов. С целью получения субфталоцианинов, обладающих расширенной ароматической системой и соответственно поглощением смещенным в область терапевтического окна (600-800 нм) Дубининой Т.В и Косовым А.Д. получена серия новых субциклазиноцианинов бора (Схема 7). Полученные субциклазиноцианины бора обладают интенсивным поглощением смещённым до 680 нм относительно субфталоцианинов и субнафталоцианинов (Рис.1). Максимум поглощения смещается батохромно при переходе от метил-замещенного соединений к пропил-замещенному. Полученные результаты опубликованы в виде тезиса доклада международной конференции XII International Conference on Chemistry for Young Scientists "Mendeleev 2021" (Дубинина Т.В., устный доклад). 2. Фотохимические свойства функционально замещенных субфталоцианинов бора Полученные в рамках первого этапа выполнения Проекта субфталоцианины бора обладают высокой растворимостью в большинстве органических растворителей. Они растворимы, в том числе в спиртах, ацетонитриле и ДМСО. Например, молярные коэффициенты поглощения, определенные для растворов субфталоцианинов в ацетонитриле находятся в диапазоне 4.10˂lgε˂4.87. Можно выделить следующие закономерности для спектров поглощения целевых субфталоцианинов: при переходе от гексайод- (литературные данные [Chemistry – A European Journal, 2018, 24, 64, 17080-17090]) к гексахлор- и далее к гексафтор-замещенному субфталоцианину наблюдается гипсохромный сдвиг основного максимума поглощения (Q полосы): l6SubPcBCl (584нм) ˂ Cl6SubPcBCl (569нм) ˂ F6SubPcBCl (549нм). Это вероятно обусловлено сильным отрицательным индуктивным эффектом атомов фтора, вызывающим стабилизацию ВЗМО орбитали комплекса F6SubPcBCl и соответственно увеличение разницы энергий ВЗМО и НСМО, что в свою очередь и приводит к гипсохромному смещению Q полосы. Замена аксиального лиганда практически не влияет на положение максимума поглощения субфталоцианинов, что можно заметить на примере комплексов PhOSubPcBCl и PhOSubPcBOPh (Таблица 1). Введение карбоксильной группы в пара-положение фенольного фрагмента также практически не смещает максимума поглощения соединения EtOOCC6H4OSubPcBCl относительно гексафенокси-замещенного субфталоцианина PhOSubPcBCl. Это вызвано тем, что электроноакцепторная группа (карбоэтокси-) находится достаточно далеко от субфталоцианинового макрокольца. Наиболее сильный батохромный сдвиг Q полосы полосы наблюдается для фенил-замещенного субфталоцианина бора, максимум поглощения которого расположен при 582нм. Это связано с дестабилизацией ВЗМО субфталоцианина за счёт вклада периферических ароматических заместителей (фенильных групп), имеющих жёсткую С-С связь с макрокольцом. Значения квантовых выходов флуоресценции исследуемых субфталоцианинов бора достаточно велики (0.13˂Φf˂0.50). Однако в случае трийод-замещенного субфталоцианина I3SubPcBCl флуоресценция заметно меньше (Φf=0.02) из-за эффекта тяжелого атома (происходит быстрая интеркомбинационная конверсия). Похожая ситуация наблюдалась в литературе для гексайод-замещенных субфталоцианинов I6SubPcBCl и I6SubPcBX, для которых значения Φf в 10 раз меньше, чем у синтезированного нами трийод-замещенного субфталоцианина (Таблица 1). Самый высокий выход флуоресценции (Φf=0.50) наблюдается для субфталоцианина, содержащего по периферии макрокольца 4-карбоэтокси-фенильные заместители EtOOCC6H4OSubPcBCl. Похожие значения представлены в литературе для нитро-замещенного субфталоцианина ((NO2)3SubPcBOPh) и незамещенного с аксиальным атомом фтора (SubPcBF). Более высокие значения флуоресценции отмечены только в случае додека-замещенного субфталоцианина (CF3CH2O)12SubPcBCl [Chem. Eur. J. 2010, 16, 7554]. Стоксов сдвиг максимумов флуоресценции небольшой и составляет около 10-20 нм (Рис.2, Таблица 1), что соответствует приводимым в литературе данным для других аналогов субфталоцианинов [Chem. Rev. 2014, 114, 2192−2277]. 3. Определение выходов генерации синглетного кислорода Для исследуемых соединений определены квантовые выходы генерации синглетного кислорода (ΦΔ). Использовался метод, включающий в себя определение интенсивности люминесценции синглетного кислорода в ближней ИК области, в толуоле при λex=513 нм (Рис. 3). Показано, что полученные в рамках выполнения настоящего Проекта субфталоцианины бора генерируют синглетный кислород с высокой эффективностью (Таблица 2). Выходы синглетного кислорода для всего ряда субфталоцианинов (0.47˂ΦΔ˂0.63) оказались сопоставимы со стандартом 5,10,15,20-тетрафенилпорфирином (ТРР). Как и ожидалось, наибольшее значение выхода генерации синглетного кислорода проявляется для трийод-замещенного субфталоцианина (ΦΔ=0.85). Это обусловлено увеличением времени жизни триплетного состояния за счёт наличия тяжёлых атомов йода. Похожие значения ΦΔ описаны в литературе для гексайод-замещенных комплексов. Для целей тераностики наиболее подходят субфталоцианины, сочетающие в себе качества хорошего флуорофора и эффективного фотосенсибилизатора. В связи с этим из полученных фотохимических данных можно сделать следующие выводы. Все полученные субфталоцианины продемонстрировали высокие выходы генерации синглетного кислорода (ΦΔ≥0.47) и являются перспективными фотосенсибилизаторами. Однако наиболее высокими выходами флуоресценции (Φf>0.20) обладают: карбоэтокси-замещенный комплекс EtOOCC6H4OSubPcBCl, фтор-замещенный субфталоцианин F6SubPcBCl, фенил-замещенный Ph6SubPcBCl, хлор-замещенный Cl6SubPcBCl и трет-бутил-замещенный tBuSubPcBCl. Йод-замещенный комплекс, несмотря на очень высокий выход генерации синглетного кислорода, флуоресцирует достаточно слабо, поэтому может рассматриваться только с позиций применения его в качестве фотосенсибилизатора. Полученные результаты опубликованы в сборнике тезисов докладов 5-й Российской конференции по медицинской химии с международным участием «МедХим-Россия 2021» (сама конференция перенесена на 2022 г из-за эпидемиологической ситуации в Волгограде). Готовится к публикации статья. 4. Определение темновой цитотоксичности субфталоцианинов бора Проведен скрининг темновой цитотоксичности новых соединений с применением МТТ теста на трёх клеточных линиях меланом (Colo679, Colo849 и BRO) (Таблица 3). Обнаружено, что практически для всех целевых соединений значения IC50 достаточно высоки, то есть они не проявляют темновой цитотоксичности по отношению к клеткам меланомы. Однако для фтор-замещенных комплексов наблюдается цитотоксичность при микромолярных концентрациях. Важно отметить, что цитотоксичность растёт при переходе от гексафтор- к октадекафтор-замещенному субфталоцианину. Вероятно, данное явление обусловлено увеличением биодоступности фторированных соединений и их лёгкого проникновения в клетки, по отношению к не содержащим фтора веществам. Возможное практическое применение Новые субфталоцианиновые комплексы бора, полученные в рамках выполнения настоящего Проекта, планируется использовать для тераностики (фотодинамическая терапия+флуоресцентная диагностика) онкологических заболеваний, например меланомы. В результате проведенного исследования выделены наиболее перспективные для целей тераностики субфталоцианины бора. Проверялось соответствие следующим критериям: субфталоцианины должны сочетать в себе качества яркого флуорофора (Φf>0.20) и эффективного фотосенсибилизатора способного к генерации активных форм кислорода. Для селективного действия фотосенсибилизаторов и, в особенности, для их использования в тераностике, важно, чтобы они обладали низкой темновой цитотоксичностью. Все полученные субфталоцианины продемонстрировали высокие выходы генерации синглетного кислорода (ΦΔ≥0.47) и являются перспективными фотосенсибилизаторами. Однако наиболее высокими выходами флуоресценции (Φf>0.20) и низкой темновой цитотоксичностью (IC50>10μM) обладают: (1)карбоэтокси-замещенный комплекс, (2)фенил-замещенный, (3)хлор-замещенный и (4)трет-бутил-замещенный. Трийод-замещенный комплекс, несмотря на очень высокий выход генерации синглетного кислорода (ΦΔ=0.85), флуоресцирует достаточно слабо, поэтому может рассматриваться только с позиций применения его в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии.
2 25 декабря 2021 г.-15 февраля 2023 г. Синтез и фотохимические свойства новых субфталоцианинов бора – перспективных соединений для тераностики онкологических заболеваний
Результаты этапа: Широкий спектр замещенных субфталоцианинов бора был протестирован как многообещающие кандидаты для тераностики рака. Целевые субфталоцианины демонстрируют высокие выходы генерации синглетного кислорода ΦΔ = 0.47÷0.85 и яркой флуоресценции Φf = 0.13÷0.50. Присутствие тяжелого атома йода увеличивает квантовый выход синглетного кислорода, но одновременно снижает выход флуоресценции. Эти результаты согласуются с кинетикой затухания флуоресценции. Для йодированного субфталоцианина быстрый интеркомбинационный переход приводил к короткому времени жизни флуоресценции (0.3 нс) и, как следствие, низкому значению Φf . Субфталоцианины продемонстрировали эффективное взаимодействие с сайтом связывания сывороточного альбумина человека, вероятно, благодаря гидрофобным взаимодействиям. Значения констант связывания сравнимы с константами, полученными ранее для водорастворимых фталоцианинов. Данные конфокальной микроскопии показали накопление замещенных субфталоцианинов в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме. Изучение темновой и фотоиндуцированной цитотоксичности позволило выбрать два активных соединения (трет-бутил- и йодзамещенные субфталоцианины бора) с низкой темновой и высокой фототоксичностью (IC50=1.2 и 7.0 мкМ соответственно). Примечательно, что фототоксичность трет-бутилзамещенного соединения в 1.6 раза выше, чем у известного фотосенсибилизатора бенгальского розового, недавно вступившего во II фазу клинических испытаний для лечения меланомы.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен