ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВИНИЛ-ФОСФОНАТОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Группа научных специальностей:

Химические науки

Шифр научной специальности:

1.4.9

УДК 544.164, 577.151.042, 543.632.585

ПИЛИП Анна Георгиевна,

Научный сотрудник, Санкт-Петербургский федеральный исследовательский центр Российской академии наук (ФИЦ РАН), e-mail: [email protected]

ЕГОРОВА Анастасия Валерьевна,

к.х.н, Старший научный сотрудник, Санкт-Петербургский федеральный исследовательский центр Российской академии наук (ФИЦ РАН), e-mail: [email protected]

ЛОБОВА Анастасия Михайловна,

Магистр,

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт (Технический Университет), e-mail: [email protected]

БИКБАЕВА Гулия Ильнуровна,

Аспирант,

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета, e-mail: [email protected]

МАНЬШИНА Алина Анвяровна

Д.х.н., Профессор, Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета, e-mail: [email protected]

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВИНИЛ-ФОСФОНАТОВ

АННОТАЦИЯ. В данной работе изучалось влияние облучения с длинами волн 266 и 325 нм на изменение биологической активности вини-фосфонатов - диалкил ^Н2-хлор-2-фенипвинип)фос-фонат, с потенциальным применением в качестве ингибитора бутирилхолинэстеразы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биологическая активность, ингибирование бутирилхолинэстеразы, винил фосфонаты, лазерная химия, фотофармакология.

11II111111111II1111111II III 11111111 III 1111111IIII1111111IIII1111111IIII1111111 III 111111111IIII1111111IIII1111111II111111111II111111111 III 11111111 III 111111 и

PILIP Anna Georgievna,

Researcher,

St. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences (SPC RAS)

EGOROVA Anastasia Valerievna,

Senior Researcher, St. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences (SPC RAS)

LOBOVA Anastasia Mikhailovna,

Master's degree, Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University)

BIKBAEVA Guliya Ilnurovna,

PhD,

Institute of Chemistry, Saint-Petersburg State University

MANSHINA Alina Anvyarovna,

Professor, Institute of Chemistry, Saint-Petersburg State University

INFLUENCE OF LASER EXPOSURE ON BIOLOGICAL PROPERTIES

OF VINYL PHOSPHONATES

ANNOTATION. In this work, we studied the effect of irradiation with wavelengths of 266 and 325 nm on changes in the biological activity of vinyl phosphonates - dialkyl (Z)-(2-chloro-2-phenylvinyl)phospho-nate, with potential use as an inhibitor of butyrylcholinesterase.

KEY WORDS: biological activity; butyrylcholinesterase inhibition; vinyl phosphonates, laser chemistry; photopharmacology.

Введение

Фотофармакология является быстро развивающейся областью современной науки, основанной на контроле биологической активности соединений благодаря световому эффекту [1]. Основным преимуществом подхода является возможность тонкой настройки биологической активности путем управления параметрами оптического излучения - спектральными и энергетическими характеристиками, длительностью воздействия, пространственной локализацией. Кроме того, свет можно рассматривать как неин-вазивный инструмент контроля биологических процессов. Все это открывает путь к созданию «умных лекарств» с возможностью удаленного и точного контроля мест и длительности их терапевтического эффекта. Внедрение «умных лекарств» в медицинскую практику позволит решить проблему неконтролируемой лекарственной активности во времени и пространстве, которая приводит к побочным эффектам на здоровые органы, а также к накоплению биологически активных веществ в окружающей среде и тяжелому природному загрязнению.

Фотоуправляемые соединения можно разделить на две группы: растворимые фотохром-ные лиганды и прикрепляющиеся фотохромные лиганды. Растворимые фотохромные лиганды не требуют дополнительной модификации молекул-мишеней, на которые направлено их действие. Прикрепляющиеся фотохромные лиганды позволяют контролировать активность молекул-мишеней с очень высокой избирательностью, благодаря необратимому образованию ковалент-ных связей [2].

Под действием излучения в фотофармакологии активируется и дезактивируется биологическая активность соединений, обладающих

лекарственными свойствами в отношении мишени. Мишень в свою очередь должна быть восприимчива к изменениям, вызванным светом в структуре фотофармацевтического агента -фотоуправляемого соединения. Кроме того, мишень должна быть локализованным заболеванием и должна находиться в месте, доступном для воздействия света [3].

Среди «фотопереключаемых» соединений отдельно стоят производные на основе фосфо-натов [4-6]. Чаще всего фосфонатные производные применяются при исследовании ингибиро-вания холинэстераз. Область применения фос-форорганических соединений антихолинэстераз-ного действия в первую очередь относится к лечению нейродегенеративных расстройств, где ингибиторы АХЭ широко назначаются в клинической практике для лечения болезни Альцгеймера, что является новым направлением в фармакологии [7]. Также антихолинэстеразные вещества применяются при лечение кожных заболеваний [8]. Весслер и др. связали повышенные уровни ацетилхолина в биоптатах толщиной 2 мм у пациентов с атопическим дерматитом. Исследование также показало, что введение большего количества ацетилхолина в кожу вызывает ощущение зуда, похожее на зуд при атопическом дерматите. Было показано, что уровень ацетилхолина в тканях больных атопическим дерматитом в 14 раз выше в поверхностных биоптатах кожи, чем у контрольной группы, что делает его надежным биомаркером заболевания [9]. Экспрессия аль-фа-7-никотинового рецептора в коже, представляющего собой тип никотинового ацетилхолино-вого рецептора, может привести к разработке новых методов лечения и профилактики фибро-склеротических заболеваний кожи, вульгарного псориаза, атопического дерматита, акне, фотодерматозов и внешнего старения кожи [10].

N111 ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III мм мм мм мм ми

Ранее нами уже были продемонстрированы группы соединений [11,12], обладающих фото-пе-реключаемым ингибированием бутирилхолинэ-стеразы (БХЭ). Проведенные эксперименты, а также данные молекулярного моделирования соединений показало взаимодействие с ферментными центрами БХЭ для обоих изомерных состояний.

Основываясь на успешные результаты исследования предыдущих серий фосфонатов, а также для расширения возможностей их использования в фотофармакологии, мы синтезировали новый класс ингибиторов, демонстрирующих антихолинэстеразное действие, модулируемое при оптическом воздействии - диалкил (¿)-(2-хлор-2-фенилвинил)фосфонат. В этой работе мы представляем исследование по изменению биологической активности новых фосфонатов, с потенциальным применением в качестве ингибитора БХЭ, при облучении на длине волны 266 и 325 нм.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования в данной работе выбран ряд соединений, относящихся к

классу винил-фосфонатов. Подобные асимметрические структуры с двойной связью, как винил-фосфонаты, являются перспективными объектами для исследования их изомеризации под действием внешних факторов, например, лазерного облучения. Данное структурное изменение может приводить и к изменениям биологической активности серии, вследствие более удачного расположения заместителей, приводящих к образованию более сильного взаимодействия в паре «лиганд-белок».

Синтез исследуемых в работе соединений был осуществлен на базе реакции пентахлорида фосфора с непредельными соединениями, в частности - фенилацетиленом, показан на рисунке 1. Более подробно процедура синтеза, а также описание физико-химических свойств данных соединений представлены в публикации [13]. Полученная на первой стадии кислота была введена в реакцию с соответствующими спиртами с получением конечных продуктов - (1-3), представленных на рисунке 1. Контроль за ходом реакции осуществляли с помощью ЯМР - спектроскопии на ядрах 31 Р.

Рисунок 1. Структурная формула молекул фосфонатов (1-3)

Существенным недостатком данной серии является их малая растворимость в воде, что впоследствии может сказаться на биологической и фармацевтической доступности лекарственного препарата. Исходя из данного факта, все исследования биологических и оптических свойств винил-фосфонатов (1-3) проводились в широком ряду органических растворителей, из

которых был выбран наиболее подходящий для различных методов исследования.

Измерение биологической активности

Измерение биологической активности новой серии винил-фосфонатов (1-3), предполагаемых ингибиторов холинэстеразы, проводилось с помощью биоаналитической платформы Еаэу^еск. Метод, положенный в основу монито-

1111 ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ IIIIIIIIIII11IIIII11IIIIIIIIIIIIIIIII11IIIIIIIIII11IIII111III1111II111IIII111II11111II111IIII111IIII111II111IIII111IIII11III111IIII11IIII

ринга нейротоксичных соединений, основан на определении активности фермента бутирилхо-линэстеразы (БХЭ) по начальной скорости биокаталитического гидролиза его субстрата - бути-рилтиохолина, которую измеряют по накоплению тиохолина с использованием тиол-чувствитель-ного сенсора. Поскольку тиохолин электрохимически активное соединение, в работе использовался амперометрический способ его регистрации при заданном потенциале +600мВ [14, 15].

Лазерное облучение

Лазерное облучение растворов винил-фос-фонатов проводили с использованием твердотельного лазера Coherent MBD 266 (Санта-Клара, Калифорния, США) (^ex = 266 нм, мощность 70 мВт, ^ex = 325 нм, мощность 30 мВт) несфокусированным лазерным лучом (d = 2 мм) в кварцевой кювете, толщиной 1 см при постоянном перемешивании.

Измерение спектров поглощения проводились при нормальных условиях на длине волны в диапазоне 200-700 нм в кварцевых 1 мм кюветах

на прецизионном двухлучевом сканирующем спектрофотометре Lambda 1050 (Perkin Elmer).

Облучение происходило в течение 60 мин, после чего происходило измерение спектров поглощения и биологической активности веществ. Для изучения воздействия лазерного излучения на биологическую активность винилфосфонатов (1-3) готовилось растворы исследуемых соединений с концентрацией 10-3 - 10-6М. Для проверки/ учета влияния лазерного воздействия на выбранные растворители проводились также эксперименты по их засветке при описанных выше условиях.

Результаты и обсуждение

Биологическая активность.

Винил-фосфонаты (1-3) были исследованы на наличие биологической активности, для каждого была построена калибровочная зависимость и подсчитаны IC 50 - концентрации полумаксимального ингибирования. На рисунке 2 показаны калибровочные зависимости винил-фосфонатов (1-3) для различных концентраций в дихлорметане.

Рисунок2. Калибровочные зависимости (процент ингибирования, концентрация) ингибирования БХЭ винил-фосфонатов (1-3)

В результате проведенных исследований можно сделать выводы, что самым слабым ингибитором является соединение 3, с самой разветвленной из алкильных цепочек при атоме фосфора, с наименьшим показателем 1С50 (в мини-молярной области) для соединения - 7000 мкМ. Биологическая активность соединений 2 и 3 практически идентична, так как эти соединения являются изомерами, и можно предположить, что разветвленность алкильной цепи не влияет на

присоединение молекулы ингибитора к активному центру фермента.

Изменение биологической активности после лазерного облучения.

На рисунке 3 представлены данные по изменению биологической активности винил-фосфо-натов в результате действия лазерного облучения двух длин волн. Диаграмма показывает, что в ряду винил-фосфонатов (1-3) не все вещества одинаково меняют биологическую активность под действием лазерного облучения.

N111 ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III ММ ММ ММ ММ III ММ ММ ММ III мм мм мм мм ми

РисунокЗ. Динамика биологической активности ряда винил-фосфонатов (1-3) в результате лазерного воздействия

После облучения растворов образцов (1-3) лазером с длиной волны 266 нм, наименьшее изменение в ингибирование БХЭ показало соединение 2, у данного образца наблюдался рост ингибирования в 16% (с 18% до 34%), в то время, как для образца 3 изменение составило 64%, а для раствора соединения 1 53%. При облучении растворов винил-фосфонатов (1-3) лазером с длиной волны 325 нм в идентичных условиях, соединение 2 также демонстрирует наименьшее изменение биологической активности - ее рост составил 42%. Фосфонат 1 демонстрирует рост биологической активности при данной длине волны с разницей в 71%. Раствор соединения 3 показал меньшее изменение биологической активности, что было продемонстрировано в эксперименте с длиной волны 266 нм, и составило лишь 34%.

Выводы

Было продемонстрировано фотоконтроли-руемое изменение биологической активности винил-фосфонатов - диалкил (¿)-(2-хлор-2-фе-нилвинил) фосфонатов в дихлорметане. Было установлено, что исследуемая группа фосфона-тов обладает биологической активностью - способностью ингибировать бутирилхолинэстеразу.

Было обнаружено выраженное влияние лазерного излучения на биологические свойства растворов винил-фосфонатов в дихлорметане. Было показано, что воздействие на растворы винил-фосфонатов лазерами с длиной волны 266 нм и 325 нм, приводит к увеличению ингибирую-щих свойств данной группы соединений. При облучение лазером с А,ех = 266 нм наибольшее изменение в биологической активности демонстрирует соединение 3. При облучении растворов винил-фосфонатов лазером ^ех = 325 нм, наибольшее изменение демонстрирует соединение 1.

Разработка новых фотофармакологических агентов, обладающих фотоконтролируемой биоактивностью, является современным, быстро развивающимся направлением в науке и в медицине. Поиск новых объектов, используемых, в качестве фотоуправляемых соединений в терапии ряда заболеваний, является чрезвычайно важной задачей. Таким образом, исследованные в работе объекты - винил-фосфонаты являются перспективным материалом для современной фотофармакологии.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России № 122041100086-5.

Список литературы:

[1] Ryazantsev M.N., Strashkov D.M., Nikolaev D.M, Shtyrov A.A., Panov M.S. Photopharmacological compounds based on azobenzenes and azoheteroarenes: principles of molecular design, molecular modelling, and synthesis // Russ Chem Rev. 2021. 90 (7). Pp. 868-893. DOI: https://doi.org/10.1070/RCR5001

[2] Bregestovski P., Maleeva G., Gorostiza P. Light-induced regulation of ligand-gated channel activity // Br J Pharmacol. 2018. 175(11). Pp. 1892-1902. doi: 10.1111/bph.14022.

I Mil Mil III Mil Mil Mil Mil III Mil Mil Mil Mil III Mil Mil Mil Mil III Mil Mil Mil III Mil Mil Mil IIIIM

[3] Lerch M.M., Hansen M.J., van Dam G.M., Szymanski W., Feringa B.L. Emerging Targets in Photopharmacology //Angew Chem Int Ed Engl. 2016. 55(37). Pp. 10978-99. doi: 10.1002/anie.201601931.

[4] Barber D.M., Liu S.-A., Gottschling K., Sumse M., Hollmann M., Trauner D. Optical control of AMPA receptors using a photoswitchable quinoxaline-2,3-dione antagonist // Chemical Science. 2017. 8(1). Pp. 611-615. doi:10.1039/c6sc01621a.

[5] RasterP., Schmidt A., RambowM., Kuzmanovic N., König B., Hilt G. Immobilisation of photoswitchable diarylcyclohexenes synthesised via cobalt-mediated Diels-Alder reaction // Chem. Commun. 2014. 50(15). Pp. 1864-1866. doi:10.1039/c3cc48487d.

[6] Schilling L.-H., Stock N. High-throughput ultrasonic synthesis and in situ crystallisation investigation of metal phosphonocarboxylates // Dalton Trans. 2014. 43(2). Pp. 414-422. doi:10.1039/c3dt52576g.

[7] Ruangritchankul S., Chantharit P., Srisuma S., Gray L.C. Adverse Drug Reactions of Acetylcholinesterase Inhibitors in Older People Living with Dementia: A Comprehensive Literature Review // Ther Clin Risk Manag. 2021. 17. Pp. 927-949 doi:10.2147/TCRM.S323387.

[8] Todorov A., Torah R., Ardern-Jones M.R., Beeby S.P. Electromagnetic Sensing Techniques for Monitoring Atopic Dermatitis—Current Practices and Possible Advancements: A Review// Sensors. 2023. 23. Pp. 3935. doi:10.3390/s23083935.

[9] Wessler I., Reinheimer T., Kilbinger H., Bittinger F., Kirkpatrick C.J., Saloga J., Knop J. Increased acetylcholine levels in skin biopsies of patients with atopic dermatitis // Life Sciences. 2003. 72 (18-19). Pp. 2169-2172. doi: 10.1016/S0024-3205(03)00079-1.

[10] Stegemann A., Böhm M. Targeting the a7 nicotinic acetylcholine receptor-A novel road towards the future treatment of skin diseases // Exp Dermatol. 2020. 29. Pp. 924-931. doi:10.1111/exd.14173

[11] Pankin D, Khokhlov A., Kolesnikov I., Vasileva A., Pilip A., Egorova A., Erkhitueva E., Zigel V., Gureev M., Manshina A. Laser-induced twisting of phosphorus functionalized thiazolotriazole as a way of cholinesterase activity change// Spectrochim. Acta - A: Mol. Biomol. 2021. 246. Pp. 118979. doi: 10.1016/j.saa.2020.118979.

[12] Kolesnikov I., Pankin D., Khokhlov A., Pilip A., Egorova A., Zigel V., Gureev M., Manshina A., Leuchsef G. Laser-induced switching of the biological activity of phosphonate molecules // New J. Chem. 2021. 45. Pp. 15195-15199. doi: 10.1039/D1NJ02487F

[13] Egorova A.V., Egorov D.M., Sonin N.O., Kolesnikov I. E., Pankin D. V., Manshina A. A., Baichurin R. I. Synthesis of a New Series of ß-Chloro-ß-phenylvinylphosphonic Acid Chloride Derivatives // Russ. J. Gen. Chem. 2022. 92. Pp. 2191-2196. doi:10.1134/S1070363222100322

[14] Dontsova E.A. Screen-printed carbon electrode for choline based on MnO2 nanoparticles and choline oxidase/polyelectrolyte layers // Sensors Actuators B Chem. 2011. 159 (1). Pp. 261-270.

[15] Eremenko A. V. Planar thiol-sensitive sensor elements for the determination of butyrylcholinesterase activity and analysis of its inhibitors // Moscow Univ. Chem. Bull. 2014. 69(3). P. 131-135.

Spisok literatury:

[1] Ryazantsev M.N., Strashkov D.M., Nikolaev D.M, Shtyrov A.A., Panov M.S. Photopharmacological compounds based on azobenzenes and azoheteroarenes: principles of molecular design, molecular modelling, and synthesis // Russ Chem Rev. 2021. 90 (7). Pp. 868-893. DOI: https://doi.org/10.1070/RCR5001

[2] Bregestovski P., Maleeva G., Gorostiza P. Light-induced regulation of ligand-gated channel activity // Br J Pharmacol. 2018. 175(11). Pp. 1892-1902. doi: 10.1111/bph.14022.

[3] Lerch M.M., Hansen M.J., van Dam G.M., Szymanski W., Feringa B.L. Emerging Targets in Photopharmacology // Angew Chem Int Ed Engl. 2016. 55(37). Pp. 10978-99. doi: 10.1002/anie.201601931.

[4] Barber D.M., Liu S.-A., Gottschling K., Sumse M., Hollmann M., Trauner D. Optical control of AMPA receptors using a photoswitchable quinoxaline-2,3-dione antagonist // Chemical Science. 2017. 8(1). Pp. 611-615. doi:10.1039/c6sc01621a.

[5] Raster P., Schmidt A., Rambow M., Kuzmanovic N., König B., Hilt G. Immobilisation of photoswitchable diarylcyclohexenes synthesised via cobalt-mediated Diels-Alder reaction // Chem. Commun. 2014. 50(15). Pp. 1864-1866. doi:10.1039/c3cc48487d.

[6] Schilling L.-H., Stock N. High-throughput ultrasonic synthesis and in situ crystallisation investigation of metal phosphonocarboxylates // Dalton Trans. 2014. 43(2). Pp. 414-422. doi:10.1039/c3dt52576g.

I nil nil nil III nil nil nil nil III nil nil nil nil III nil nil nil III nil nil nil nil III nil nil nil III III! III! III! III! Ill III! III! III! Ill III! III! III! III! Ill III! III! III! III! Ill III! III! III! Ill III! III! 11^

[7] Ruangritchankul S., Chantharit P., Srisuma S., Gray L.C. Adverse Drug Reactions of Acetylcholinesterase Inhibitors in Older People Living with Dementia: A Comprehensive Literature Review // Ther Clin Risk Manag. 2021. 17. Pp. 927-949 doi:10.2147/TCRM.S323387.

[8] Todorov A., Torah R., Ardern-Jones M.R., Beeby S.P. Electromagnetic Sensing Techniques for Monitoring Atopic Dermatitis—Current Practices and Possible Advancements: A Review // Sensors. 2023. 23. Pp. 3935. doi:10.3390/s23083935.

[9] Wessler I., Reinheimer T., Kilbinger H., Bittinger F., Kirkpatrick C.J., Saloga J., Knop J. Increased acetylcholine levels in skin biopsies of patients with atopic dermatitis // Life Sciences. 2003. 72 (18-19). Pp. 2169-2172. doi: 10.1016/S0024-3205(03)00079-1.

[10] Stegemann A., Bohm M. Targeting the a7 nicotinic acetylcholine receptor-A novel road towards the future treatment of skin diseases // Exp Dermatol. 2020. 29. Pp. 924-931. doi:10.1111/exd.14173

[11] Pankin D, Khokhlov A., Kolesnikov I., Vasileva A., Pilip A., Egorova A., Erkhitueva E., Zigel V., Gureev M., Manshina A. Laser-induced twisting of phosphorus functionalized thiazolotriazole as a way of cholinester-ase activity change // Spectrochim. Acta - A: Mol. Biomol. 2021. 246. Pp. 118979. doi: 10.1016/j. saa.2020.118979.

[12] Kolesnikov I., Pankin D., Khokhlov A., Pilip A., Egorova A., Zigel V., Gureev M., Manshina A., Leuchsef G. Laser-induced switching of the biological activity of phosphonate molecules // New J. Chem. 2021. 45. Pp. 15195-15199. doi: 10.1039/D1NJ02487F

[13] Egorova A.V., Egorov D.M., Sonin N.O., Kolesnikov I. E., Pankin D. V., Manshina A. A., Baichurin R. I. Synthesis of a New Series of fi-Chloro-fi-phenylvinylphosphonic Acid Chloride Derivatives // Russ. J. Gen. Chem. 2022. 92. Pp. 2191-2196. doi:10.1134/S1070363222100322

[14] Dontsova E.A. Screen-printed carbon electrode for choline based on MnO2 nanoparticles and choline oxidase/polyelectrolyte layers // Sensors Actuators B Chem. 2011. 159 (1). Pp. 261-270.

[15] Eremenko A. V. Planar thiol-sensitive sensor elements for the determination of butyrylcholinester-ase activity and analysis of its inhibitors // Moscow Univ. Chem. Bull. 2014. 69(3). P. 131-135.

1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 111111111111 III 111111111111 III 1111111111111111 III 111111111111II