CC BY
9
УДК 547.661
Юрьев Д.Ю., Ткаченко С.В., Ощепков М.С.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ ПРОИЗВОДНЫХ 1,8-НАФТАЛИМИДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АДРЕСНЫХ СИСТЕМ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ Юрьев Данил Юрьевич - магистрант 2-го года обучения кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов; DanilYuriev3 5@yandex.ru
Ткаченко Сергей Витальевич - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов;
Ощепков Максим Сергеевич - доктор химических наук, заведующий кафедрой химии и технологии биомедицинских препаратов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены получение и спектрально-люминесцентные свойства флуоресцентных маркеров, построенных на оптической платформе 1,8-нафталимида и использующихся для ковалентной модификации сополимера молочной и гликолевой кислот. Описаны методы синтеза флуоресцентно меченных наночастиц, которые могут быть использованы для проведения исследований по биовизуализации с применением микроскопии сверхвысокого разрешения
Ключевые слова: 1,8-нафталимид, сополимер молочной и гликолевой кислот, флуоресцентные наночастицы
NEW 1,8-NAPHTHALIMIDE DERIVATIVES FOR TARGETED DRUG DELIVERY SYSTEMS
Yuriev D.Y., Tkachenko S.V., Oshchepkov M.S.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the preparation and spectral-luminescent properties of fluorescent markers constructed on the optical platform of 1,8-naphthalimide and used for the covalent modification of the copolymer of lactic and glycolic acids. Methods for the synthesis of fluorescently labeled nanoparticles are described, which can be used to carry out bioimaging studies using super resolution microscopy
Key words: 1,8-naphthalimide, copolymer of lactic and glycolic acids, fluorescent nanoparticles
Введение
Сегодня ведущими областями исследований в нанотехнологии являются нанобиотехнология и наномедицина [1]. Адресная доставка лекарств с использованием наночастиц вызывает широкий интерес, поскольку позволяет достичь максимального терапевтического действия при минимизации побочных эффектов, а также решает проблемы, связанные с биодоступностью и эффективностью веществ [2].
Для изучения распределения наносистем доставки лекарственных препаратов в организме и оценки высвобождения или активации лекарства в клетках необходимо применять различные методы визуализации, в том числе и микроскопию сверхвысокого разрешения. В этих методах используются флуорофоры, которые должны удовлетворять определённым требованиям. В случае STED-микроскопии - они должны обладать высокой фотостабильностью, а для PALM и STORM -флуорофоры должны быть или фотоактивируемые или фотопереключаемые [3]. Необходимо подчеркнуть, что теоретический предел пространственного разрешения зависит от длины волны света: чем короче длина волна возбуждающего света, тем выше получаемое разрешение. Поэтому с точки зрения его повышения использование флуоресцентных меток,
поглощающих в синей или зеленой части спектра, в целом является значительно более
предпочтительным, чем в красной, так как
потенциально позволит получить самое высокое разрешение и наблюдать объекты и процессы, которые с применением других меток и методов различить невозможно.
Для создания наиболее перспективных систем доставки необходимо использовать полимерную основу, в которую можно ввести различные флуорофоры, векторы, а также загрузить лекарственное вещество. В качестве полимерной основы в рамках представляемой работы был использован полилактид-ко-гликолид (poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA) [4-6], сополимер молочной и гликолевой кислот, который нашёл широкое применение в биомедицине и используется для направленной доставки молекул лекарственных препаратов, белков и других макромолекул с контролируемым высвобождением (рис. 1) [7].
Особенностью использования PLGA является его высокая биосовместимость, биоразлагаемость, минимальная токсичность и возможность контроля скорости высвобождения лекарственного средства из наночастиц. По данным 2016 года на фармацевтическом рынке США присутствовало 15 препаратов, содержащих в своём составе PLGA.
Производные 1,8-нафталимида представляют собой важное семейство органических люминофоров, широко используемых в качестве красителей, оптических отбеливателей,
противоопухолевых агентов, а также флуоресцентных маркеров для синтетических полимеров и текстильных материалов [8]. С одной
стороны, п-сопряженная полициклическая кольцевая система нафталимидов является структурной основой хромофоров и флуорофоров, что позволяет использовать их в диагностике и прогнозировании рака. С другой стороны, структурные особенности нафталимидного скелета, такие как жёсткость, планарность и гидрофобность, позволяют им включаться в полости биомакромолекул [9].
I Г°
---1
PLGA-1 R= N
/-Ч
PLGA-2 R= О
Рис. 1. Схема получения модифицированного РЬОЛ
Производные 1,8-нафталимида, содержащие морфолиновый и этоксиэтильный заместители, были выбраны потому, что являются достаточно доступными синтетически, а также обладают спектральными характеристиками,
предполагающими возможность их использования для биовизуализации и других биомедицинских исследований. Производные нафталимида, описанные в настоящее время, как правило,
обладают люминесценцией в синей (450-500 нм) или зелёной (500-570 нм) областях спектра. Оба этих люминесцентных канала доступны для проведения исследований in vitro и in vivo, поскольку большинство флуоресцентных маркеров,
используемых сейчас, имеют максимумы флуоресценции при больших длинах волн.
Экспериментальная часть
В рамках представленной работы были получены производные 1,8-нафталимида, содержащие концевую аминогруппу и имеющие морфолиновый и этоксиэтильный заместители в 5-ом положении нафталимидного кольца - соединения 1 и 2 соответственно. Краситель 1 характеризуется максимумом поглощения в области 400 нм (в воде) и максимумом флуоресценции в области 530 нм, что соответствует зелёной области спектра. Краситель 2 характеризуется максимумом поглощения в области 375 нм (в воде), и максимумом флуоресценции в области 460 нм. Спектрально-люминесцентные свойства указанных флуорофоров приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Спектрально-люминесцентные свойства флуорофоров 1 и 2 в различных средах, 25 °С
Флуорофор
■\НМ
нм
Ффл, %
Яркость,
Хлористый метилен
394 368
532 430
12 160 12 220
64,29 83,27
7 818 10 159
ДМСО
400 368
533 446
14 010
9 670
8,2 51,96
1 149 5 024
Вода
400 375
565 457
14 270 10 310
1,01 72,21
144 7 445
В основе ковалентной модификации PLGA лежит реакция аминирования терминальной карбоксильной группы полимера. В качестве аминов в работе были использованы упомянутые выше флуоресцентные производные 1 и 2. Условия всех реакций были сходными: полимер активировался во всех случаях N' -(3 -диметиламинопропил)-Ы-этилкарбодиимидом (EDC) и N-гидроксисукцинимидом (NHS). В качестве основания были использованы каталитические количества диизопропилэтиламина (DIPEA). В качестве растворителя для производных 1 и 2 подходят как дихлорметан, так и диметилформамид, в которых хорошо растворяются флуорофоры.
Реакция аминирования PLGA протекает в мягких условиях при комнатной температуре в течение 48 часов. Выделение полимеров осуществлялось методом экстракции. Выход полимеров в большинстве случаев составлял около 60-80%.
Наночастицы получали методом наноосаждения. В качестве стабилизатора был выбран 2% раствор поливинилового спирта. Наночастицы
характеризовались близкими значениями размеров и ^-потенциалов: 116,3 нм и - 23,8 мВ, 112,8 нм и -15,9 мВ соответственно для РЬвА-1 и РЬвА-2.
Спектры поглощения полимеров и наночастиц характеризуются невыраженной полосой
флуоресцентного фрагмента на фоне поглощения PLGA, что связано с невысоким содержанием красителя в полимере (0,5 мас. %). В спектрах флуоресценции присутствуют полосы,
соответствующие полосам исходных красителей, некоторое уширение и смещение которых свидетельствует о смене окружения молекулы в составе полимера (рис. 2).
3500 3000 2S00 ? 2000 | ,300 |
1000 I
Рис. 2. Спектры поглощения и флуоресценции полимера (А) и наночастиц (Б), содержащих флуорофор 1
Яркость наночастиц полученных из модифицированных новыми флуорофорами PLGA оказалась на 1 -2 порядка выше значений яркости частиц, часто используемых для функционализации PLGA в исследовательских лабораториях с применением стандартных флуорофоров (например, цианиновых).
Изучены спектральные характеристики наночастиц и показано, что они обладают высокой интенсивностью флуоресценции и яркостью как в лиофилизате, так и в растворе, что позволяет предположить возможность их эффективной активации и стабильности во время экспериментов по биовизуализации в опытах in vitro.
Заключение
Таким образом, в рамках представленной работы получены новые конъюгаты PLGA, содержащие в качестве метки флуоресцентные производные 1,8-нафталимида с морфолиновым и этоксиэтильным заместителями в 4-ом положении нафталимидного ядра. Предлагаемые в работе флуорофоры и наносистемы на их основе в будущем расширят области применяемых флуоресцентных маркеров в методиках визуализации со сверхвысоким разрешением.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проект FSSM-2020-0004).
Список литературы
1. Pratiwi F. W., Kuo C. W., Chen B.-C. Recent advances in the use of fluorescent nanoparticles for bioimaging. // Nanomedicine (Lond.). - 2019. - VOL. 14. - №. 13. - Р. 1759 - 1769.
2. Lu J.-M., Wang X., Martin-Muller C. Current advances in research and clinical applications of PLGA-based nanotechnology. // Expert Rev. Mol. Diagn. -2009. - Vol. 9 - №4. - P. 325 - 341.
3. Lukinavicius G. et al. Fluorescent dyes and probes for super-resolution microscopy of microtubules and tracheoles in living cells and tissues // Chem. Sci. The Royal Society of Chemistry, 2018. Vol. 9, № 13. P. 3324-3334.
4. Gentile P. et al. An overview of poly(lactic-co-glycolic) acid (PLGA)-based biomaterials for bone tissue engineering // Int J Mol Sci. 2014. Vol. 15, № 3. P. 3640-3659.
5. Kapoor D. et al. PLGA: A unique polymer for drug delivery // Therapeutic delivery. 2015. Vol. 6. P. 41-58.
6. Essa D. et al. The Design of Poly(lactide-co-glycolide) Nanocarriers for Medical Applications // Front. Bioeng. Biotechnol. Frontiers, 2020. Vol. 1.
7. Makadia H. K., Siegel S. J. Poly Lactic-co-Glycolic Acid (PLGA) as Biodegradable Controlled Drug Delivery Carrier. // Polymers (Basel). - 2011. -Vol. 3. - №3. - P. 13377 - 1397.
8. Oshchepkov M. S., Semyonkin A.S., Melnikov P. A., Tkachenko S. V. Microflow synthesis of fluorescent markers based on 1,8-naphthalimide for polylactide nanoparticles and bioimaging. // Mendeleev Communications. - 2020. - Vol. 30. - №6. - P. 747 -749.
9. Chen Z, Xu Y, Qian X, Naphthalimides and analogues asantitumor agents: A review on molecular design, bioactivity and mechanism of action. // Chinese Chemical Letters. - 2018. - Vol.29. - №12. - P. 1741 -1756.
