УДК 547.898; 615.849
Зубенко А.Д., Бахарева А.А., Федорова О.А.
РАЗРАБОТКА КОМПОНЕНТОВ РАДИОФАРМПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ ПИРИДИНСОДЕРЖАЩИХ АЗАКРАУН-СОЕДИНЕНИЙ
Зубенко Анастасия Дмитриевна, младший научный сотрудник, аспирант Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова, Россия, Москва, ул. Вавилова, д.28, e-mail: nastva.mutasova@vandex.ru; Бахарева Анна Алексеевна, обучающаяся кафедры технологии тонкого органического синтеза и химии красителей факультета нефтегазохимии и полимерных материалов Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, Миусская пл., д.9;
Федорова Ольга Анатольевна, д.х.н., профессор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, заведующий лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова
Настоящая работа посвящена разработке компонентов радиофармпрепаратов, представляющих собой бифункциональные комплексоны, состоящих их двух фрагментов, один из которых отвечает за координацию катиона, а другой за ковалентное связывание с транспортной биомолекулой. В результате работы осуществлен синтез серии пиридинсодержащих азакраун-соединений, имеющих в своей структуре дополнительную функциональную группу, подходящую для получения конъюгатов с биомолекулами. В исследованиях in vitro и in vivo полученные бифункциональные комплексоны показали преимущества по сравнению с известными аналогами, и, таким образом, имеют хорошие перспективы практического применения в области радиофармацевтики.
Ключевые слова: радиофармпрепараты, бифункциональные комплексоны, азакраун-соединения.
DEVEPOPMENT OF COMPONENTS OF RADIOPHARMACEUTICALS BASED ON PYRIDINE CONTAINING AZACROWN COMPOUNDS
Zubenko A.D.1, Bakhareva А.А.2, Fedorova O.A.1-2
:A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 2D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This work is about the development of components of radiopharmaceuticals which are bifunctional chelators consisting of two fragments, one of which is responsible for the coordination of the metal ion and the other for covalent binding to the transport biomolecule. As a result of the work, a series of pyridine-containing azacrown compounds having in their structure an additional functional group suitable for obtaining conjugates with biomolecules was synthesized. In in vitro and in vivo studies the obtained bifunctional chelators showed advantages over the known analogs, and thus have good prospects for practical application in the radiopharmaceuticals.
Keywords: radiopharmaceuticals, bifunctional chelators, azacrown-compounds.
Современные радиофармпрепараты (РФП) представляют собой сложную систему, состоящую из трех компонентов: радионуклид, связывающий его комплексон и биологический вектор. Комплексоны, применяемые в настоящее время, такие как ДОТА (1,4,7,10-тетраазациклододекан-1,4,7,10-тетрауксусная кислота) и ДТПА (диэтилентриаминпентауксусная кислота) имеют ряд существенных недостатков. Макроциклический лиганд ДОТА имеет медленную кинетику комплексообразования, и поэтому для связывания радионуклида требуется длительное время и повышенные температуры. ДТПА способен быстро образовывать комплексы, однако они оказываются неустойчивыми в биологических средах и быстро разрушаются. Поэтому поиск новых комплексонов, прочно связывающих катионы металлов в водных растворах и in vivo, является крайне актуальной задачей.
Идея нашей работы заключается в создании макроциклических комплексонов, имеющих в своем составе ароматический фрагмент. Его наличие обеспечивает структурную жесткость, вследствие
чего молекула имеет раскрытую полость, предорганизованную для связывания с катионом металла, что приводит к увеличению скорости образования комплекса и повышению его стабильности. В такой структуре можно варьировать размер макроцикла и вводить дополнительные хелатирующие группы. Кроме того, ароматический фрагмент удобен для введения функциональной группы для ковалентного связывания с биомолекулой.
Ранее нами была разработана серия пиридинсодержащих азакраун-соединений с различным размером макроцикла, количеством и природой дополнительных хелатирующих групп [1] (рисунок 1). Комплексообразование полученных соединений с катионами тяжелых металлов и радионуклидов было исследовано методами потенциометрического титрования и
конкурирующих реакций осаждения, сорбции и экстракции [2]. Установлено, что наиболее прочные комплексы образует макроцикл L, содержащий три карбоксильные группы, с катионами Си (1ёК=16) и Ы3+ (1§К=21), при этом катион полностью
связывается за 1 минуту. При изучении радиационной устойчивости лиганда установлено, что доза до 330 Гр не оказывает влияние на комплексообразование. Цитотоксичность краун-соединения минимальна, поскольку его полулетальные концентрации на 6-7 порядков выше, чем достигается при синтезе РФП. Изучение комплекса BiL in vitro показало отсутствие диссоциации комплекса в изотоническом растворе,
\
Nil HN
^NH HN—'
\|[
по крайней мере, в течение 5 суток, перехелатирование сывороточными белками также выявлено не было. Исследование распределения комплекса BiL in vivo на нормальных лабораторных мышах показало, что аккумуляции радионуклида в критических органах не происходит, ввиду его эффективного выведения (через 6 ч) и отсутствия диссоциации комплекса [3].
ЕЮОС
Рисунок 1. Структуры синтезированных азакраун-соединений.
Для создания РФП, эффективно поражающего раковые клетки, необходимо наличие в его составе транспортной биомолекулы, селективно
доставляющей препарат в пораженную область. Поэтому целью данной работы является разработка бифункциональных комплексонов на основе азакраун-соединения Ь путем введения функциональных групп в 4-е положение пиридина, подходящих для связывания с биомолекулой. Поскольку введение функциональных групп в готовый макроцикл Ь является синтетически сложной проблемой, нами было предложено модифицировать исходное производное пиридина на начальных стадиях синтеза целевого соединения.
На первом этапе работы нами проводилось введение гидроксиметиленовой группы в пиридиновый цикл, поскольку в дальнейшем ее можно легко модифицировать, заместив на галогенид и азид. Синтез диметилового эфира 4-гидроскиметил-2,6-пиридиндикарбоновой кислоты проводился в несколько этапов (схема 1). На первом этапе из 2,6-пиридиндикарбоновой кислоты получали соответствующий диэфир через стадию образования хлорангидрида. Данный метод позволяет получить диметиловый эфир 2,6-пиридиндикарбоновой кислоты с практически количественным выходом. На второй стадии полученный диэфир окисляли с помощью реактива Фентона (Н2О2, Fe(CЮ4)2). Реакция проводилась на
1) SOCV А
HOOC N
2) MeOH, А
COOH MeOOC
ледяной бане в метиловом спирте в присутствии хлорной кислоты. Метанол в данном случае играет роль как растворителя, так и реагента.
Для получения бифункциональных
производных азакраун-соединений, содержащих сложноэфирную группу в 4-ом положении пиридинового цикла, нами был синтезирован триметиловый эфир 2,4,6-пиридинтриикарбоновой кислоты (схема 2). Для этого коллидин окисляли оксидом хрома в кислой среде с образованием соответствующей кислоты, из которой далее получали триметиловый эфир путем последовательного кипячения в тионилхлориде и метаноле.
Был предложен еще один способ введения сложноэфирной группы в пиридиновый цикл с использованием в качестве исходного реагента хелидамовой кислоты (схема 3). Первая стадия получения диметилового эфира 4-гидрокси-2,6-дикарбоновой кислоты проводилась аналогично получению диэфира 1 и триэфира 2 через стадию образования хлорангидрида. Во второй стадии для получения 4-((трет-бутоксикарбонил)-окси)-
диметилового эфира 2,6-пиридиндикарбоновой кислоты эфир 5 алкилировали трет-бутиловым эфиром бромуксусной кислоты в присутствии основания. Процесс проводился при кипячении в ацетонитриле.
OH
Fe(ClO4)2, H2O2
HClO4, MeOH, H2O " COOMe MeOOC ^ ^N'^ "-COOMe
N
1 выход 99 % 2, выход 51 %
Схема 1. Синтез диметилового эфира 4-гидрокшметил-пиридиндикарбоновой-2,6-кислоты.
Me
COOH
COOMe
80 C
1) SOCl2, А
II J 2) MeOH, А '
HOOC^^^^COOH MeOOC^^^^COOMe
M^^Me
3, выход 70% 4 выход 9б%
Схема 2. Синтез триметилового эфира пиридинтрикарбоновой-2,4,6 кислоты.
CrO3' H2SO4
O
O
O^^COOfB"
HOOC
SOCl2, MeOH, А
OOH
MeOOC
N H
B^/NCOOt-BU
K2CO3, MeCN, А * COOMe 2 3 MeOOC
"-COOMe
5, выход 8б% 6, выход 100%
Схема 3. Синтез диметилового эфира 4-(2-трет-бутилокси-2-оксоэтокси)пиридин -пиридиндикарбоновой-2,6-кислоты.
Для введения в пиридиновый цикл заместителя с концевой тройной связью (пропаргильной группы) диметиловый эфир хелидамовой кислоты 5 алкилировали пропаргилбромидом в присутствии в качестве основания карбоната калия при кипячении в ацетонитриле (схема 4).
о о
MeOOC
Br J
4N
H
COOMe K2C03, CHзCN, А
MeOOC^^N COOMe
7' выход 9
Схема 4. Синтез 4-(проп-2-ин-1-илокси)-2,6-диметилового эфира пиридиндикарбоновой-2,6-кислоты.
COOMe COOMe
MeOH
HN
Полученные производные диметилового эфира пиридиндикарбоновой-2,6-кислоты, содержащие различные функциональные группы в 4-ом положении пиридинового цикла использовали в реакции макроциклизации при взаимодействии с тетраэтиленпентамином для получения
бифункциональных производных азакраун-соединений (схема 5). Реакция протекала в метаноле при комнатной температуре в течение 7 дней. Далее проводилось введение хелатирующих групп в структуру макроцикла путем К-алкилирования третбутиловым эфиром бромуксусной кислоты.
Br-
COOt Bu
NH HN ^NH „ HN-^
K2CO3, MeCN, А
8, R " CH2OH, выход 45%
9, R ~_COOM®, выход 42%
1Q, R = OCH2COOtBu, выход 42% 11, R = OCH2C= CH, выход 30%
BuOtOC
COOtBu
ÜOOtßu
12, R = CH2OH, выход 52%
13, R = COOMe выход 8б%
14, R = OCH2C=CH, выход 92%
Схема 5. Синтез бифункциональных азакраун-соединений.
5
R
R
O
O
+
H2N
В результате была синтезирована серия пиридинсодержащих азакраун-соединений,
имеющих в своей структуре дополнительную функциональную группу, подходящую для получения конъюгатов с биомолекулами. Создание компонентов РФП является крайне актуальной задачей, поэтому полученные бифункциональные комплексоны имеют хорошие перспективы практического применения в области радиофармацевтики, поскольку в исследованиях in vitro и in vivo показали преимущества по сравнению с известными аналогами.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 16-13-10226.
Список литературы
1. Fedorov Y., Fedorova O., Peregudov A., Kalmykov S., Egorova B., Arkhipov D., Zubenko A.,
Oshchepkov M. Complex formation of pyridine-azacrown ether amide macrocycles with proton and heavy metal ions in aqueous solution // J. Phys. Org. Chem. - 2015. - Vol. 29. - P. 244-250.
2. Fedorov Yu. V., Fedorova O.A., Kalmykov S.N., Oshchepkov M.S., Nelubina Yu. V., Arkhipov D.E., Egorova B.V., Zubenko A.D. Potentiometric studies of complex formation of amidopyridine macrocycles bearing pendant arms with proton and heavy metal ions in aqueous solution // Polyhedron. - 2017. - Vol. 124. -P. 229-236.
3. Egorova B.V., Matazova E.V., Mitrofanov A.A., Aleshin G.Y., Trigub A.L., Zubenko A.D., Fedorova O.A., Fedorov Y.V., Kalmykov S.N. Novel pyridine-containing azacrown-ethers for the chelation of therapeutic bismuth radioisotopes: complexation study, radiolabeling, serum stability and biodistribution // Nuclear Medicine and Biology. - 2018. - Vol. 60. - P. 1-10.