Химики СПбГУ открыли соединение, способное «включаться» под действием лазера

Ученые из СПбГУ вместе с исследователями из Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра РАН и Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН разработали новое органическое соединение, биологическая активность которого увеличивается под влиянием лазера. Созданный фосфонат позволит точнее и безопаснее воздействовать на клетки организма. Статья с результатами исследования была опубликована в химическом научном журнале New Journal of Chemistry, издаваемом Королевским химическим обществом.

Проблема управляемого влияния препаратов на человеческий организм сегодня активно исследуется в фотофармакологии — области фармацевтики, изучающей вещества, изменяющие свою активность под действием света. Химики Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый фосфонат, способный под действием света управляемо «включаться», то есть увеличивать свою биологическую активность, например, когда вещество достигнет области воспаления.

Как правило, фотофармакологические агенты состоят из лекарства и фотоактивного переключателя, который его активирует. Однако ученые получили соединение, выполняющее обе функции одновременно, — это фосфорилированные ариламиномалонаты. Под воздействием лазера часть молекулы вещества (фосфонатная группа) буквально поворачивается, меняя таким образом форму и строение всей молекулы в пространстве, что приводит к усилению биологических свойств.

Полученное химиками вещество может найти свое применение в офтальмологии, лечении нейродегенеративных заболеваний (например, болезни Альцгеймера) и других областях медицины, поскольку синтезированный фосфонат является ингибитором холинэстеразы — важного фермента нервной и других систем организма человека. Уже сейчас есть публикации, объясняющие, как нивелирование холинэстеразы участвует в лечении кожных заболеваний, — на кожу можно нанести лекарственное средство, посветить и тем самым «включить» или «выключить» его.

Ранее исследовательская группа ученых СПбГУ и СПб ФИЦ РАН — НИЦЭБ РАН разработала вещество, биологическая активность которого уменьшается под воздействием света. Новый фосфонат имеет обратный эффект: направленный пучок лазера с длинной волны 266 или 325 нанометров изменяет спектр поглощения и усиливает биологическую активность вещества. Такой результат достигается сразу при двух длинах волн (одна из них — 266 нанометров — ранее позволила исследователям «выключить» активность вещества).

Как отмечает автор исследования, профессор кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ доктор химических наук Алина Маньшина, созданные учеными вещества относятся к одной группе, но по-разному отвечают на оптическое воздействие: одно «включается», а другое «выключается». В будущем эти соединения, возможно, удастся использовать вместе, управляя как «включением», так и «выключением», однако это требует дополнительных исследований.

«Наша основная заслуга в том, что мы впервые обнаружили такую реакцию фосфонатов на оптическое излучение — ранее изменение свойств фосфонатов при помощи пучка света никто не исследовал. Важно и то, что созданные нами вещества не просто как-то реагируют на свет, они меняют свою форму под воздействием лазера, то есть существенно изменяют биологическую активность. Такая находка своего рода случайность, которая нередко встречается в науке, но нам удалось это экспериментально проверить и описать», — рассказала об исследовании Алина Маньшина.

Кроме того, ученые заметили, что на биологические свойства фосфонатов также влияют вещества-заместители, входящие в состав соединения. В структуре полученного вещества есть так называемое фенильное кольцо, к которому можно присоединить разные элементы: фтор, бром, хлор, водород или метильную группу СН3. Таким образом, одно и то же вещество — фосфонат — в итоге будет наделено разными биологическими свойствами, так как разные заместители будут по-разному реагировать на лазерное воздействие.

У каких-то веществ биологическая активность увеличивается совсем немного, а для других активность возрастает до 90–95 % — это очень большой прирост, который указывает на влияние вещества-заместителя в структуре молекулы. Так, биологическая активность после облучения возрастает в ряду PhAM-F> PhAM-Cl> PhAM-Br. Наибольшее увеличение ингибирующей способности наблюдается у фтор-замещенного фосфоната — в 6,5 раза.

«Потенциально это можно использовать для решения задач персонализированной медицины, которая учитывает особенности каждого человека и подбирает оптимальные дозы и длительность воздействия вещества», — пояснила Алина Маньшина.

В перспективе исследователи хотят подробнее изучить, как разработанные химические вещества воздействуют на организм и способны ли они вызывать повреждения клеток тканей. Проверка на цитоксичность позволит более точно определить область применения и начать клинические испытания, а затем применение в реальной практике.

«Мы прекрасно понимаем, что путь от вещества, которое мы синтезировали в пробирке, и результатов экспериментов до производства конкретного лекарства и его выхода на рынок — очень длинный. Но нам также интересно найти тот ключевой момент, который определяет, будет ли вещество реагировать на оптическое излучение или этот фосфонат окажется нечувствителен к лазерному воздействию, поиску ответов на эти вопросы мы посвятим новые исследования», — сообщила Алина Маньшина.

Экспериментальное изучение воздействия оптического излучения на биологические свойства фосфонатов проводилось в ресурсном центре «Оптические и лазерные методы исследования вещества» Научного парка СПбГУ. Работа со стороны Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра РАН была выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на 2019–2021 годы (№ АААА-А19-119020190099-1) при поддержке Центра передового опыта «Центр фотоники», финансируемого Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (контракт № 075-15-2020-906).