ГИБРИДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ А.И. Котельников, Р.А. Котельникова, Г.Н. Богданов, Н.П. Коновалова, И.И. Файнгольд, Д.В. Мищенко, Баринов А.В., Рубцов А.Ю., В.С. Романова Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка Институт элементоорганических соединений РАН, Москва

ГИБРИДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КОМПОЗИТАХ, В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ 1 нм Фуллерен С 60 – состоит только из 60 атомов углерода В ИПХФ РАН совместно с ИНЭОС РАН разработан метод модификации фуллерена путем присоединения двух различных аддендов: - аминокислоты, которая придает фуллереновому ядру растворимость в полярных растворителях; - второго адденда, который может быть полимером, люминофором, спиновым зондом, обладать биологической активностью. Заявка на международный патент PST/RU2007/ В.С. Романова, Р.А. Котельникова, Г.Н. Богданов, А.И. Котельников Фуллерены открыты в 1985 г. В 1996 г. за их открытие присуждена Нобелевская премия Практически не растворимы в воде и мало пригодны для введения в организм.

ИНГИБИРОВАНИЕ ВИЧ-ИНФЕКЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ ФУЛЛЕРЕНА С 60 Friedman S.H. et al., J.Am.Chem.Soc. (1993) 115, R.A. Kotelnikova, A.I. Kotelnikov, V.S. Romanova et al., «Nanobionics of pharmacologically active derivaties of fullerene C60» Journal of Nanoparticle Research (2003) 5, Конкурентное ингибирование активного центра ВИЧ-протеазы с К i =10 -7 M Ингибирование обратной транскриптазы с К i =10 -3 M Ингибирование сопутствующих вирусных инфекций Отсутствие токсичности Отсутствие иммунных реакций K i =5x10-6 M

Трансмембранный перенос аминокислотных производных фуллерена С 60 и ионов Co 2+ через липидный бислой липосом Kotelnikova R.A., Kotelnikov A.I., Bogdanov G.N. et al., Membranotropic properties of water soluble amino acid and peptide derivatives of fullerene C 60. FEBS Letters. (1996) 389, потушенный эритрозин - триплетно возбужденный эритрозин А – изменение интенсивности фосфоресценции эритрозина на внешней поверхности липосом В – на внутренней А В [Co 2+ ] 10 4, м [C 60 -Al-Al] 10 5, м Интенсивность фосфоресценции

26 (ВИЧ)0,21> 9Биспирролидинофуллерены М. Прато и др. 58 (ВИЧ)1,2 + 0,44> 60Поликарбоксильное соединение 667 (ВИЧ) 5454 (ЦМВ) 0,221,5+0, (ЛПК) 1200 (ФЭЧ) С60 – -аминомасляная кислота-Na 970 (ВИЧ) 1428 (ЦМВ)0,7 0,9+ 0,21870 (ЛПК) 1000 (ФЭЧ) С60 – ω-аминокапроновая кислота-Na ХТИИД 50 (ЦМВ) мкг/мл ИД 50 (ВИЧ) мкг/мл СД 50 мкг/млНазвание соединений Антивирусная активность производных фуллерена для ВИЧ- и ЦМВ-инфекции СД 50 – концентрация вещества, при которой наблюдается гибель 50 % клеток ИД 50 – концентрация вещества, при которой наблюдается 50 % гибели вируса ХТИ – химиотерапевтический индекс, равный отношению СД 50 /ИД 50 Фрог Е.С., Котельникова Р.А., Богданов Г.Н. и др. «Влияние аминокислотных производных фуллерена С 60 на развитие цитомегаловирусной инфекции», Технология живых систем, 2006, 3, 2, 42-46

Ингибирование активного центра ацетилхолинэстеразы и Са 2+ -АТФазы СР Design and activity of cationic fullerene derivatives as inhibitors of acetylcholinesterase Pastorin G. et al., Org. Biomol. Chem., 2006, 4, 2556–2562 k i ~ M Ингибирование активного центра Са 2+ АТФазы саркоплазматического ретикулума K i ~ M Татьяненко Л.В., Котельников А.И., Котельникова Р.А.

Противоопухолевая активность фуллеренов Multihydroxylated n Nanoparticles: Antineoplastic Activity of High Efficiency and Low Toxicity Chunying Chen et al., Nanoletters (2005),5, 10, H22 hepatoma

Нейропротекторное действие фуллеренов Ингибирование агрегации β-амилоидных пептидов Fullerene inhibits β-amiloid peptide aggregation Kim J.E., Lee M., BBRC, 303 (2003),

Нитроксипроизводные фуллерена С 60 и С 60 –карнозин C 60 -NO 2 -ProNO 2 С60-Carnosine-Pro C 60 -OH-Pro C 60 -NO 2 -Pro C 60 -OH-ProNO 2 C 60 -(NO 2 ) 2 -Pro В.С. Романова, Г.Н. Богданов, А.Г. Корепин, Р.А. КотельниковаТоксичность > 300 мг/кг

1 - Контроль; 2 – C 60 -OH-Pro 3 - C 60 -NO 2 -Pro 4 - C 60 -ProNO 2 5 – C 60 -(NO 2 ) 2 -Pro 6 – C 60 -NO 2 -ProNO С 60 -Carnosine-Pro Влияние ВПФ на интенсивность пероксидного окисления липидов ( субклеточный гомогенат гепатоцитов) ВПФ являются эффективными антиоксидантами – ингибиторами пероксидного окисления липидов. Наиболее эффективный из них – C 60 -Carnosine-Pro. Р.А. Котельникова И.И. Файнгольд Е.С. Фрог

Изменение каталитической активности МАО-А и МАО-В в митохондриях головного мозга крыс при действии ГНФ 1.Контроль; 2.С 60 -ProOH; 3. C 60 -NO 2 Pro; 4. C 60 -(NO 2 ) 2 Pro; 5.C 60 -carnosine.

Влияние аминокислотных производных фуллерена С 60 на эффективность терапии лейкемии P-388 (Хемосенсибилизирующее действие ГНФ) 1 - ЦФ, 30 мг/кг 2 - ЦФ + C 60 -OH-Pro 3 - ЦФ+ С 60 -Carnosine-Pro ; 4 - ЦФ + C 60 -ProNO ЦФ+ C 60 -NO 2 -Pro 6 - ЦФ + C 60 -(NO 2 ) 2 -Pro Циклофосфамид вводили на 1 и 6 сутки. ВПФ вводили ежедневно с 1 по 7 сутки. Н.П. Коновалова И.И. Файнгольд

Антиметастатическая активность Усиление антиметастатического эффекта ЦФ при его комбинации с производными фуллерена ( карцинома легких Льюис ) 1-Контроль; 2- ЦФ (30 мг/кг); 3- C 60 -NO 2 -Pro (50мг/кг); 4- C 60 -NO 2 -Pro (50мг/кг)+ ЦФ(30 мг/кг) Усиление антиметастатического эффекта адриамицина при его комбинации с производными фуллерена ( карцинома легких Льюис ) 1 - Контроль; 2 – C 60 --ProOH (83 мг/кг) 3 – C 60 -NO 2 -Pro (60 мг/кг) 4 – C 60 -(NO 2 ) 2 -Pro (50 мг/кг) 5 - Адр (1 мг/кг); 6 - Адр (1 мг/кг) +C 60 -OH-Pro (83 мг/кг) 7 – Адр (1 мг/кг)+С 60 -NO 2 -Pro (60 мг/кг) 8 – Адр (1 мг/кг)+С 60 -(NO 2 ) 2 -Pro (50 мг/кг) Н.П. Коновалова И.И. Файнгольд

Фотодинамическая активность фуллеренов С 60 -Pro-эозин Эозин С 60 -Pro S0S0 S1S1 T1T см см -1 ~13000 см-1 ~14500 см -1 T1T1 S1S1 S0S0 O2O2 Эффективный зонд для флуоресцентной и фосфоресцентной фармакокинетики Квантовый выход в флуоресценцию и фосфоресценцию – 0,5 ЭозинС 60 C 60 -eosine-Pro

Исследование динамики аккумуляции фуллерен-эозина в организме опухолевых животных - 1 час после введения фуллерен-эозина - 3 часа после введения фуллерен-эозина 1-печень; 2- почки; 3-легкие; 4-сердце; 5-селезенка; 6-кровь; 7-опухоль (лейкемия P-388)

Распределение фуллерен-эозина в органах и проницаемость через гематоэнцефалический барьер

1 -15 мин; мин; мин; час; часа; часа; часов. Содержание фуллерен-эозина в головном мозге И.И. Файнгольд Р.А. Котельникова

Водорастворимые аминокислотные производные эндометаллофуллеренов Синтезированы первые водорастворимые производные ЭМФ на основе аминокислоты пролина Согласно литературным данным, они в 20 раз превосходят по эффективности традиционно используемые в ЯМР-томографии коммерчески доступные аминные комплексы Gd. А.И. Котельников, Р.А. Котельникова, Г.Н. Богданов, В.С. Романова, Э.Б. Ягубский, В.П. Бубнов, И.Е. Кареев 70 -maleimide-Pro

Заключение Предложен новый способ синтеза гибридных наноструктур на основе фуллеренов Синтезировано 10 гибридных наноструктур на основе фуллеренов с различными биологически активными аддендами. С помощью вновь синтезированного гибридного соединения фуллерен-эозин впервые показано, что АПФ преодолевают гематоэнцефалический барьер при внутривенном введении и обнаруживаются в тканях головного мозга животных. Обнаружено, что ГСФ обладают выраженной противовирусной, антиоксидантной, хемосенсибилизирующей и нейропротекторной активностью.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ АМИНОКИСЛОТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ФУЛЛЕРЕНОВ 1.Влияние на активность ферментов 2.Влияние на структуру и проницаемость липидной фазы мембран 3.Антиоксидантное действие фуллеренов 4.Фотодинамическое действие фуллеренов

Антиоксидантная и фотодинамическая активность фуллеренов