CC BY
5УДК 547.541.2.
Сафарова И.Р., диссертант, ст. науч.сотр. лаборатория «Функциональные олигомеры» Института нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева Национальной Академии Наук Азербайджана
(Баку, Азербайджан)
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ БИЦИКЛО [2.2.1]
ГЕПТЕНОВОГО РЯДА
Аннотация. Осуществлен анализ научных результатов в области исследования биологически активных свойств производных полинорборненов. Показаны основные области применения полимеров бицикло(2.2.1)-гептенового ряда, отмечены основные типы полимеризации, характерные для мономеров норборненового типа. Отмечено, что биологическая активность норборненсодержащих полимеров непосредственно связана с особенностью их строения.
Ключевые слова: полимеры норборненового ряда, биологическая активность, антимикробные препараты, гемолитическая активность, норборненовые сополимеры, амфифильность
Норборнен представляет собой бициклический олефин, обладающий кольцевой деформацией, вследствие чего его молекула содержит чрезвычайно реакционноспособную двойную связь. Норборнен находит применение во многих различных областях из-за наличия ряда ценных свойств, среди которых особо следует отметить его биологическую активность. Биологическая активность производных полинорборненов также представляет как теоретический, так и практический интерес, что в первую очередь связано со взаимосвязью его строения и биологической активностью, что делает полинорборнен и его разнофункциональные производные предметом широких исследований в кругу химиков-органиков и в фармацевтической химии. Полимеры на основе норборнена получили широкое применение в биомедицине, фармакологии и других областях. В представленном обзоре представлен анализ научных исследований, посвященных исследованиям в области изучения биоактивности полинорборненовых макромолекул, осуществленных в последние годы.
Амфифильные катионные производные полинорборнена, растворимые в воде, были получены из модульных мономеров норборнена с широким диапазоном молекулярных масс (М п=1600-137500 г/моль) и узкой полидисперсности (PDI= 1,1-1,3) [1,2]. Антибактериальная активность, определенная анализами ингибирования роста, и гемолитическая активность против эритроцитов человека измеряли и сравнивали для определения селективности полимеров в отношении бактериальных клеток по сравнению с клетками млекопитающих. Определяли влияние гидрофобности повторяющихся звеньев мономера и молекулярной массы полимера на антибактериальную и гемолитическую
27
активность. Было обнаружено, что гидрофобность повторяющейся единицы оказывает сильное влияние на антибактериальную и гемолитическую активность. Активность полимеров по разрушению липидной мембраны была подтверждена путем измерения индуцированной полимером утечки красителя из больших однослойных везикул. Регулируя общую гидрофобность полимера посредством статистической сополимеризации модульных производных норборнена, высоко селективно, была получена негемолитическая антибактериальная активность. Для подходящего мономерного состава селективность против бактерий по сравнению с эритроцитами человека составила более 100.
В работе [3] сообщается о модификации амфифильного антибактериального полинорборнена путем включения гидрофильных, биосовместимых групп. Фрагменты на основе сахара, цвиттериона и полиэтиленгликоля вводили в различных соотношениях методами сополимеризации и пост-полимеризации. Были получены четко определенные сополимеры с молекулярной массой 3 кДа и узкими индексами полидисперсности от 1,08 до 1,15. Влияние этих модификаций на биологическую активность этих полимеров анализировали путем определения их минимальных ингибирующих концентраций (MIC) и их гемолитической активности (HC50).
о о
, М2
Рост числа инфекций, устойчивых к антибиотикам, в сочетании со снижением количества разрешенных к применению новых антибиотиков, породил тревожный терапевтический разрыв, который серьезно подрывает общественное здоровье. Хост -защитные пептиды (HDP), иногда называемые «природными антибиотиками», представляют собой короткоцепочечные, амфифильные и катионные пептидные последовательности, обнаруживаемые во всех многоклеточных организмах как часть их врожденного иммунитета. Многочисленные исследования в этой области показали, что все они имеют общие физико-химические характеристики, которые могут быть
использованы химиками-синтетиками для дизайна макромолекул. Отмечается, что в последние годы был достигнут замечательный прогресс в разработке и синтезе материалов на основе полимеров, которые эффективно имитируют действие HDP: антибактериальная активность широкого спектра, быстрая бактерицидная кинетика и минимальная токсичность для клеток человека, предлагая при этом дополнительные преимущества низкой стоимости, высокой масштабируемости и меньшей склонности к индукции, устойчивости по сравнению с их аналогами на основе пептидов. Широкий спектр различных макромолекулярных структур были исследованы, включая полинорборнены, поли(мет)акрилаты, поли(мет)акриламиды, полимеры нейлона-2 и поликарбонаты и др. [4].
В обзорной работе [5] суммируются разработки в области полимерных носителей на основе метатезисной полимеризации с ракрытием цикла (ROMP), а также терапевтических средств на основе полимеров боковых и основных цепей за последние годы. Описывается многообещающее появление амфифильных блок-сополимеров (в том числе полинорборненов) на основе ROMP, содержащих терапевтические агенты, их сборка в полимерные наночастицы вместе с их модификацией для присоединения целевой группы. Также обсуждаются недавнее применение терапевтических средств на основе полимеров боковых цепей на основе ROMP в качестве поливалентных каркасов. Наконец, дается обзор возможностей и будущих направлений использования ROMP для разработки следующего поколения полимерных терапевтических средств.
Отмечается, что полимеры имеют различное применение в области медицины и в обзоре [6] авторы представили обобщенные результаты исследований в области синтеза антибактериальных полимеров и их биологической активности. Представлены некоторые важные амфифильные полимеры и их синтез, в том числе полинорборнены, а также показана взаимосвязь строения этих полимеров с их биоактивностью.
Новые полимеры, содержащие интактные боковые-фульвеновые фрагменты, были успешно получены из 1,3-фенил-6-норборненилфульвена посредством метатезисной полимеризации с раскрытием цикла (ROMP). Показано, что приготовленные полифульвены обладают уникальными электрохимическими и фотофизическими свойствами, что делает их интересными кандидатами в качестве легких собирающих материалов, а также они обладают биологической активностью [7].
В патенте [8, 9] описаны производные полинорборнена, проявляющие антибактериальную активность и низкую гемолитическую активность. Также описаны противомикробные композиции и фармацевтические композиции, содержащие производные полинорбонена, и способы их использования. Такие композиции, которые
29
проявляют значительную антибактериальную активность и низкую гемолитическую
активность, могут подходить для применения в качестве терапевтических средств.
СУ N О . СГ О
> >
мн2 мн2
МН2 ж.
В работе [10] сообщается, что пептиды и белки контролируют и направляют все
аспекты клеточной функции и коммуникации. Отточенные природой миллионы лет, они
также обычно демонстрируют непревзойденную специфику в качестве биологических
мишеней. Это лежит в основе постоянного внимания к пептидам как перспективным
кандидатам в лекарства. Однако превращению пептидов в жизнеспособные лекарственные
препараты препятствует отсутствие в них химической и фармакокинетической
стабильности и стоимость крупносерийного производства. Один из методов преодоления
таких препятствий - это развитие полимерных систем, которые способны сохранять
важные структурные особенности этих биологически активных пептидов, будучи дешевле
и проще в производстве и химической обработке. Этот обзор иллюстрирует подобные
принципы на примерах полимеров, имитирующих антимикробную защиту организма.
Пептиды для защиты организма были идентифицированы как одни из наиболее важных
ведущих антибиотиков следующего поколения, поскольку они обычно проявляют
антимикробную способность широкого спектра, низкую токсичность по отношению к
клеткам человека и небольшую восприимчивость к известным в настоящее время
механизмам устойчивости бактерий. В обзоре приводится ряд примеров, способных
имитировать эти пептиды на всех уровнях структуры, начиная с конкретной
30
аминокислоты, вплоть до более глобальных функций, таких как общий заряд, молекулярная масса и трехмерная структура (например, а-спиральный). Полученные оптимизированные полимеры могут сохранять профиль активности пептидов, но в пределах синтетической макромолекулярной конструкции, которая может лучше подходить для разработки нового поколения противомикробных терапевтических средств.
Такая работа не только дала важные новые данные для борьбы с растущей угрозой устойчивости к антибиотикам, но также может открывать новые возможности для полимеров, имитирующих другие важные классы биологически активных пептидов. Отмечается, что среди описанных полимеров представлены полимеры норборненового ряда.
Авторы работы [11] сообщают, что материалы, которые предназначены для положительного взаимодействия с живой биологической системой в терапевтических или диагностических целях, определяются как биоматериалы. Диапазон их применения варьируется от сосудистых трансплантатов, ортопедических и зубных имплантатов до аналитических устройств. Распространенной проблемой является плохое взаимодействие клеток и неспецифическая адсорбция белков на поверхности. Эти события могут привести к так называемой реакции на инородное тело, которая в конечном итоге может вызвать расшатывание имплантата, воспаление, коагуляцию или, в качестве вторичного события, инфекции. Чтобы обойти эти проблемы, биоматериалы покрывают компонентами внеклеточного матрикса (ЕСМ), такими как белки, специфические пептидные последовательности или гликозаминогликаны. Однако для устранения дополнительных биологических сигналов или для повышения специфичности и активности необходимы многофункциональные покрытия. Путем иммобилизации различных клеточных адгезивных молекул, которые вызывают ценные клеточные эффекты, создается разнообразная биофункциональная поверхность, которая направлена на контролируемое и многостороннее взаимодействие между поверхностью и окружающей биологической средой. Помимо попыток имитировать очень сложный ЕСМ, требуются также биоинертные модификации. Чтобы предотвратить воспаление в месте имплантации или коагуляцию в сосудистых трансплантатах, необходимо свести к минимуму неспецифическую адсорбцию белка. Кроме того, необходимо предотвратить бактериальную адгезию, чтобы гарантировать успешное заживление имплантата. Репеллентные фоны клеток и белков также играют важную роль в анализе нескольких биологических событий и взаимодействия различных биомолекул. Чтобы исследовать эти биологические системы, в покрытие вводят молекулы-метки или репортеры. Результатом также является многофункциональная модификация
31
поверхности. Важно отметить, что необходимо использовать различные методы иммобилизации, чтобы обеспечить баланс сильной, но обратимой/разлагаемой модификации поверхности. Принимая во внимание все эти требования, преимущества, а также проблемы разработки многофункциональных покрытий становятся очевидными. Здесь обсуждаются важные аспекты, такие как методы иммобилизации и синтетические стратегии, чтобы сделать возможной специфическую и активную сборку многофункциональных модификаций поверхности. Кроме того, дается обзор применяемых покрытий и их влияния на конкретную биологическую систему. Показано, что норборненсодержащие полимеры также могут быть использованы в качесвте таких покрытий.
Показано, что антивомикробные пептиды (АМП) представляют собой класс многообещающих противоинфекционных молекул, но их терапевтическое применение затруднено из-за их низкой биодоступности, восприимчивости к деградации протеаз и потенциальной токсичности [12]. Развитие технологий наноформулирования открывает обнадеживающие перспективы для разработки новых терапевтических стратегий на основе AMP для лечения устойчивых к антибиотикам микробных инфекций. Кроме того, использование полимеров обладающих антибактериальными свойствами, выделяется в качестве инновационного подхода к разработке нового поколения систем доставки лекарственных средств, в которых усиление противомикробного действия может быть достигнуто с помощью синергетической комбинации биологически активных полимерных матриц и лекарств. В работе авторы обсуждают последние исследования доставки лекарств AMP, а также возможность применения полинорборненовых макромолекул в качестве полимерных матриц для АМР.
Отмечается, что реакции метатезиса прочно зарекомендовали себя как ценный синтетический инструмент в органической химии, явно сопоставимый с известными реакциями Дильса-Альдера и Виттига, а в последнее время и с реакциями кросс-сочетания, катализируемыми металлами. Реакции метатезиса можно рассматривать как увлекательную синтетическую методологию, допускающую различные варианты в отношении субстрата (алкеновый и алкиновый метатезис) и типа метатезических реакций. С другой стороны, тандемные реакции метатезиса, такие как метатезис перегруппировки кольца (RRM) и сочетание реакции метатезиса с другими реакциями алкенов, такими как реакции Дильса-Альдера или Хека, делают метатезис одной из самых мощных и надежных синтетических процедур. RRM применим к моно- и полициклическим системам с различным размером кольца, таким как циклопропен, циклобутен, циклопентен, циклогексен, пирановые системы, производные бицикло [2.2.1]
32
гептена, производные бицикло[2.2.2]октена, бицикло[3.2.1]производные октена и др. В обзоре [13] внимание авторов сосредоточено на реакциях RRM для производных 7-оксабицикло[2.2.1]гептена и на их применении в синтезе природных продуктов или значимых их субъединиц, таких как лекарственных препаратов, фармакофорных веществ и т.д.
Разработка синтетических полимеров, имитирующих двухцепочечную спиральную структуру ДНК, является захватывающей темой в науке о полимерах. В исследовании [14] авторы разработали и синтезировали два хиральных мономера норборнена, содержащие аденин и тимин, которые были смешаны с образованием комплементарного комплекса с водородными связями, с помощью которого была проведена метатезисная полимеризация с раскрытием цикла (ROMP). Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения показала самосборку оптически активных полинорборненов, функционализированных комплементарными нуклеотидными основаниями, в двойную спираль.
В работе [15] синтезирован амфифильный полиоксанорборнен с четвертичной алкильной группой пиридиния. иологическая эффективность этих полимеров с различными алкильными заместителями определяли с помощью анализов ингибирования роста бактерий и гемолитической активности (HC50) против эритроцитов человека (RBC) для обеспечения селективности этих полимеров в отношении бактериальных клеток по сравнению с клетками млекопитающих. Серия полимеров с разными алкильными заместителями (этил, бутил, гексил, октил, децил и фенилэтил) и двумя разными молекулярными массами (3 и 10 кДа) были подготовлены. Влияние длины алкильной цепи разделило биологическую активность на две части: для полимеров с алкильным заместителем, содержащим четыре или меньше атомов углерода, наблюдалась минимальная ингибирующая концентрация (МИК) 200 мг/мл и НС50 более 1650 мг/мл; а для полимеров, имеющих шесть или более атомов углерода, отмечались более низкие МИК 12,5 мг мл1 и HC50 250 мг/мл. Сравнение полученных полимеров с MSI-78, (сильнодействующее производное магайнина, имеющее МИК 12,0 мг / мл и НС50 120 мг /мл) показало, что полимеры с алкильными заместителями C4 были не очень мощными, но показали значения селективности больше или равно MSI-78. А полимеры с алкильными заместителями C6 были более активными по сравнению с MSI-78 и в трех конкретных случаях продемонстрировали более высокую избирательность, чем у MSI-78.
Норборненсодержащие сополимеры с олигоэфирными звеньями и люминофорными комплексами иридия (III) в боковых цепях были синтезированы методом метатезис-полимеризации в работе [16]. Сополимеры, содержащие различные
33
люминофорные комплексы иридия (III), проявляют сильную зеленую, сине-зеленую или красную фотолюминесценцию. Показано, что сополимеры растворимы в воде, образуя мицеллы со средним размером 14-20 нм. Авторы отмечают, что сополимер с красной фотолюминесценцией обладает низкой цитотоксичностью по отношению к эпидермоидным клеткам карциномы человека (линия A431).
Таким образом, представленный обзор научных исследований показывает, что эксперименты в области определения областей применения полинорборненовых производных в различных разделах медицины продолжают оставаться актуальными и количество работ в этой области ежегодно возрастает.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ilker M. Tuning the Hemolytic and Antibacterial Activities of Amphiphilic Polynorbornene Derivatives / M.Ilker, K.Nusslein, G.Tew // J. Am. Chem. Soc. - 2004. - Vol. 126, N 48. - P.15870-15875.
2. Smith S. Sugar-Functional Vinyl Addition Poly(norbornene)-Photopatternable Poly(norbornenyl gluconamide) Compositions Developed with Water / S.Smith, L.Paudel, C.Cyrus // ACS Omega. - 2018. - Vol. 3, N3. - P. 2909-2917.
3. Colak S. Hydrophilic Modifications of an Amphiphilic Polynorbornene and the Effects on its Hemolytic and Antibacterial Activity / S.Colak, C.Nelson, G.Tew // Biomacromolecules. -. 2009. - Vol.10, N 2. - P.:353-359.
4. Ergene C. Antimicrobial Synthetic Polymers: An Update on Structure-Activity Relationships / C.Ergene, E.Palermo // Current Pharmaceutical Design. - 2018. - Vol. 24. - P. 111.
5. Smith D. Bioactive and Therapeutic ROMP Polymers / D.Smith, E.Pentzer // Journal of Polymer Reviews. - 2007. - Vol. 47, N 3. - P. 419-459.
6. Dinesh Sen Antibacterial Activity of Amphiphilic Polymers and Synthesis / S.Dimesh // Journal of Polymer and Textile Engineering. - 2015. - Vol. 2, N 2. - P. 12-28
7. Godman N First preparation of low band gap fulvene-modified polynorbornene via ring-opening metathesis polymerization / N.Godman, G.Balaich, S.Jacono // Chem. Commun. - 2016. -Vol. 52. - P. 5242-5245.
8. Patent US 20060115448A1, 2005 Amphiphilic polynorbornene derivatives and methods of using the same // Tew G., Ilker M., Coughlin E.
9. Patent WO 2006021001A2, 2006.
10. Hartlieb M. Antimicrobial polymers: Mimicking amino acid functionality through to three-dimensional structure of host-defense peptides / M.Hartlieb, E.Williams, A.Kuroki, S.Perrier // Current Medicinal Chemistry. - 2014. - Vol. 5, No.20. - P. 43-47.
11. Pagel M. Multifunctional biomaterial coatings: synthetic challenges and biological activity /M.Pagel, A.Beek-Sickinger // Biological Chemistry. - 2016. - Vol. 398, N 1. - P. 15151536.
12. Sandreschi S. Perspectives on polymeric nanostructures for the therapeutic application of antimicrobial peptide / S.Sandreschi, A-M. Piras, G.Batoni // Nanomedicine. -2016. - Vol. 11, N 13. - P.1729-1744.
13. Roscales S. Ring Rearrangement Metathesis in 7-Oxabicyclo[2.2.1]heptene (7-Oxanorbornene) Derivatives. Some Applications in Natural Product Chemistry /S.Roscales, J.Plumer // Nat. Prod. Commun. - 2017. - Vol. 12, N 5. - P. 713-732
14. Wang L. Optically Active Nucleobase-Functionalized Polynorbornenes Mimicking Double-Helix DNA / L.Wang, l. Nan, S.Huang, M.Wang // CCS Chem. - 2020. - Vol. 2. - P. 1787-1796.
15. Eren T. Antibacterial and Hemolytic Activities of Quaternary Pyridinium Functionalized Polynorbornenesa / T.Eren, s.Abhigyan, J.Rennie, C.Nelson // Macromol. Chem. Phys. - 2008. - Vol. 209. - P. 516-524
16. Platonova E.O. Functionalized Polynorbornenes with Oligoether Units and Luminophoric Iridium(III) Complexes in Side Chains. Synthesis, Photophysical, and Biological Properties / E.O.Platonova, A.V.Rozhkov, S.A.Lermontova, L.G.Klapshina // Russian Journal of General Chemistry. - 2018. - Vol. 88, N 2. - P. 731-735
