Проект старшего научного сотрудника лаборатории специального органического синтеза НИИ физической и органической химии ЮФУ Ильи Ожогина, поддержанный грантом президента РФ, направлен на поиск новых молекулярных систем со светоуправляемой биологической активностью. Они могут стать новым словом в области фармакологии благодаря повышенной биодоступности и водорастворимости.
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ / купить фото
Фотофармакология — это развивающаяся перспективная отрасль биомедицины, в которой активация или дезактивация биологически активного вещества осуществляется при помощи света. При этом лекарственный препарат, например, может вводиться в организм в неактивном состоянии, а затем активироваться при достижении им «мишени» с помощью специального светового излучения. Контролировать это помогают молекулы-переключатели, которые заранее введены в структуру препарата.
По словам ученых, свет является превосходным средством для управления биологическими системами с высоким пространственным и временным разрешением. Он обладает такими преимуществами, как низкая инвазивность (степень вмешательства и травмирования тканей человека или животного), высокая скорость и обратимость действия, а также возможность дистанционного контроля.
«Включение фотохромных фрагментов, то есть молекул-переключателей, в структуру биологически активных веществ позволяет контролировать их противораковые и антимикробные свойства, способность подавлять ферменты и др. Спиропираны, разрабатываемые в рамках проекта, представляют собой один из наиболее интересных классов органических фотохромов»,— рассказал старший научный сотрудник лаборатории специального органического синтеза НИИ ФОХ ЮФУ Илья Ожогин.
Благодаря своим уникальным свойствам спиропираны уже успешно применяются в таких областях биомедицины, как биовизуализация (один из самых информативных инструментов современной диагностической медицины), хемо- и биосенсорика (поиск и определение нужных молекул в окружающей среде или организме человека), а также точечная доставка лекарственных препаратов.
«В ходе исполнения данного проекта мы планируем получить и всесторонне исследовать новые молекулярные системы на основе производных спиропиранов, которые могут быть использованы в качестве фотофармакологических агентов — веществ с потенциально управляемой биоактивностью, содержащих фрагменты молекул-переключателей. Грамотный подход к дизайну и синтезу молекул позволит также наделить их дополнительными полезными характеристиками, важными для практического использования, такими как повышенная водорастворимость и биодоступность»,— констатировал Илья Ожогин.
Поиск «лекарств будущего» призван обеспечить высокую степень эффективности действия биоактивного препарата и предотвратить его серьезные побочные эффекты.
Светлана Суслина, заведующая кафедрой общей фармацевтической и биомедицинской технологии РУДН:
— Фотофармакология начала свою историю еще в XX веке, были разработаны препараты для фотодинамической терапии некоторых опухолей с использованием фотосенсибилизаторов различных химических групп. В настоящее время с развитием возможностей синтеза микро- и наночастиц, антител, липосом, с совершенствованием аналитического инструментария расширяются представления о механизмах биологической активности фотохромных веществ и возможности их регуляции, повышении специфичности, снижении токсичности.
Она основана на специфической фотохимической реакции, которая приводит к гибели биологических систем в присутствии света, поглощающего световое излучение фотохрома и кислорода. Механизмов регуляции много, но ключевые — подбор определенной длины волны и интенсивности излучения, а также способ его подведения.
При поглощении кванта видимого света молекула ФС переходит из основного электронного состояния S0 в короткоживущее синглетное возбужденное состояние 1S*, которое в результате флуоресценции или внутренней конверсии релаксирует в основное состояние, а также путем интеркомбинационной конверсии заселяет относительно долгоживущее триплетное возбужденное состояние 3S*. ФС в триплетном возбужденном состоянии может реагировать с молекулами окружающей среды, в том числе с кислородом в основном (триплетном) состоянии 3О2. Первичной стадией этих реакций обычно является фотоперенос электрона или атома водорода.
В настоящее время ФДТ применяется при опухолях наружных и висцеральных локализаций, ранних и распространенных стадиях процесса, как компонент комбинированного и комплексного лечения рака различных локализаций. Кроме того, ФДТ нашла широкое применение при целом ряде неопухолевых заболеваний в офтальмологии, оториноларингологии, гинекологии, дерматологии и других областях медицины.
Виктор Лощенов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры лазерных микро-, нано- и биотехнологий ИФИБ НИЯУ МИФИ, главный научный сотрудник лаборатории «Бионанофотоники» ИФИБ НИЯУ МИФИ:
— Термин «фотофармакология» предложен автором работы. Другое название для подобного явления, которое давно используется в мире, в том числе ИФИБ НИЯУ МИФИ,— фототераностика, которая объединяет фотодиагностику и фотодинамическую терапию. В любом случае используются препараты, которые под действием света или диагностируют, или лечат заболевания.
Под действием света фотосенсибилизатор переходит из нейтрального состояния в активное. Один из вариантов — фотосенсибилизатор может перевести молекулярный кислород из основного в синглетное состояние, которое является цитотоксичным. Находясь, например, в раковой клетке, фотосенсибилизатор таким образом убивает ее. Это один из вариантов, есть и другие.
Один из путей включения — попадание непосредственно в клетку. Другой вариант — в кровеносные сосуды. Третий — дезактивация иммунокомпетентных, поддерживающих рост опухоли, клеток. Если говорить об антимикробных свойствах фотосенсибилизаторов, то тут есть зависимость от того, с какими микробами идет взаимодействие — грамотрицательными или грамположительными микробами. Есть варианты изменения направления развития биологических структур. Например, растения просыпаются весной и засыпают осенью под действием определенных порфиринов, которые чувствительны к изменению спектрального диапазона солнечного излучения.
Одна из сложных задач, которая требует решения, связана с тем, что введенные фотосенсибилизаторы могут накапливаться не только в злокачественных, но и доброкачественных тканях — например, в кожном покрове, и это может привести к фотодерматитам. Поэтому многие фотосенсибилизаторы, которые имеют высокую эффективность для разрушения злокачественных тканей, применяются с осторожностью. Пациенты вынуждены соблюдать световой режим: от нескольких часов до нескольких недель находиться в затемненных помещениях без прямого солнечного света.
Фотосенсибилизаторы доказали свою эффективность при лечении многих видов заболеваний, где используются для диагностики и терапии. В первую очередь это онкозаболевания, но имеют широкое применение и в косметологии. Еще одно перспективное направление — аутоиммунные заболевания и лечение коронавирусной инфекции. Наиболее интересные и перспективные направления кроме уже освоенных — сердечно-сосудистые, остеоартриты, антибиотикорезистентная микрофлора и вирусные заболевания.
Юлия Спивак, доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ ЛЭТИ:
— Возможность управления фармпрепаратом в организме человека с помощью света является одним из ярких перспективных направлений в области разработки систем адресной доставки лекарств. Свет может выступать в качестве активатора («включателя») для, например, «открытия» наноконтейнера—носителя лекарства в требуемом месте в нужное время, усиливать терапевтическое действие и т. п.
Разработки молекулярных систем на основе производных спиропиранов являются очень интересными и многообещающими. Открытыми остаются вопросы выведения таких систем адресной доставки из организма, острой и хронической токсичности, времени их циркулирования в крови и биораспределения и многие другие.