ИСТИНА

В данном проекте мы предлагаем осуществить подход к дизайну синтетических рецепторов на основе карбоцианинов: конформационно закрепленных трикарбоцианинов и пентаметиновых красителей с ионогенными группами, содержащихся в разных частях молекул, с помощью которых можно реализовать двухцентровое связывание аналита с флуорофором. Основная идея проекта заключается в создании подхода к синтезу структур, способных к дитопному связыванию: в этом случае константа устойчивости комплекса с аналитом будет существенно выше, чем при связывании по одной группе, а селективность также будет выше, поскольку не для всех аналитов будет соблюдаться структурное соответствие.

In this project, we propose to implement an approach to the design of synthetic receptors based on carbocyanins: conformationally fixed tricarbocyanins and pentamethine dyes with ionogenic groups contained in different parts of molecules, with the help of which two-center binding of the analyte to the fluorophore can be realized. The main idea of the project is to create an approach to the synthesis of structures capable of ditopic binding: in this case, the stability constant of the complex with the analyte will be significantly higher than when binding by one group, and the selectivity will also be higher, since not all analytes will comply with structural compliance.

Будет проведена разработка и описание методик синтеза модифицированных карбоцианинов с одной комплексообразующей группой. Полученные соединения будут описаны с помощью методов физико-химического анализа (1H ЯМР, 13C ЯМР, HRMS). Планируется получить не менее 4 флуоресцентных красителей, содержащих ионногенные группы, которые будут исследованы с переходными металлами для выявления флуориметрического отклика. На основе исследований будет разработан подход к синтезу флуорофоров с несколькими центрами, содержащими ионогенные группы. Будет проведено описание методики полученных соединений и проведена первичная оценка эффективности связывания с аналитами.

Руководитель настоящего проекта Дорошенко И. А. работает в области синтеза и изучения цианиновых красителей с 2014 года. Ею впервые были синтезированы несколько серий карбоцианинов. Было показано, что введение фосфонатной группы при N-атомах индолениниевого гетероцикла влечёт за собой существенное увеличение жизни флуоресценции карбоцианинов, что обуславливается незначительными процессами агрегации для фосфонатных производных, что было опубликовано в виде статьи в журнале Russ. Chem. Bull. в 2018 году. Еще одним направлением исследований был направленный синтез конъюгатов карбоцианинов с проникающими пептидами. Результаты исследований были опубликованы в журнале Mendeleev Communications в 2021 году. И.А.Дорошенко являлась исполнителем гранта РНФ № 14-13-00698 «Инновационные подходы к новому поколению цианиновых красителей медицинского назначения» (2014–2016 гг.) и гранта РФФИ № 20-03-00334а «Флуоресцентные наноструктуры на основе карбоцианиновых красителей для визуализации низкомолекулярных органических соединений» (2020-2022 гг.). В последнем успешно завершенном проекте проводилась совместная работа с сотрудниками кафедры аналитической химии. В диссертационной работе И.А.Дорошенко был получен ряд флуориметрических сенсоров для определения органических аналитов на основе нековалентного связывания с карбоцианиновыми красителями. Результаты исследований были опубликованы в журналах Methods Appl. Fluoresc. в 2021 и Spectrю Acta A в 2021 году. Руководитель коллектива также является ответственным исполнителем по гранту РНФ «Синтетический дизайн конъюгатов карбоцианиновых красителей c ПСМА-селективными лигандами с целью создания диагностического инструмента для визуализации опухолевых тканей предстательной железы» № 23-23-00297, 12 января 2023 г. - 15 декабря 2024 г. Некоторые подходы к синтезу карбоцианинов с ионогенными группами были доложены на конференции по медицинской химии «MedChem-Russia 2021».

Целью проекта является синтез серии карбоцианиновых красителей с одним или двумя центрами связывания, исследование их способности взаимодействовать с катионами переходных металлов и с низкомолекулярными аналитами, включая антибиотики группы цефалоспоринов, а также выявление наиболее перспективных структур с точки зрения простоты получения и широты применения в качестве визуализаторов ионов металлов и лекарственных веществ. Для дикарбоцианиновых флуорофоров введение ионогенных групп возможно лишь на стадии модификации гетероциклического фрагмента. Синтез карбоцианинов был осуществлен с использованием индолениниевой соли, содержащей карбоксильную и гидроксильную группу в гетероциклическом фрагменте. В результате была показана принципиальная возможность создания дикарбоцианина с двумя комплексообразующими группами. Следующим этапом работы стало создание конформационно закрепленных трикарбоцианинов, содержащих ионогенные группы в различных частях молекулы — в мезо-положении полиметиновой цепи и/или в индолениновых гетероциклах. В ходе работы в реакции с трикарбоцианинами были введены аминобензойные, аминофталевая, аминосалициловая кислоты и аминофенолы, использованные как N- и O-нуклеофилы. При введении N-нуклеофилов, содержащих две ионогенные группы — 5-аминосалициловой и 4-аминофталевой кислот, время протекания реакций существенно увеличивалось, а выходы снижались более чем в три раза по сравнению с аналогичными реакциями с аминофенолами. Вероятно, такое поведение связано с увеличением ионогенных групп в составе красителя. При замещении атома хлора на аминофталевую кислоту флуоресценция сохранялась, в то время как введение аминосалициловой кислоты и аминофенолов, приводило к её полному тушению. Было установлено, что наличие гидроксильной группы, находящейся в сопряжении с π-системой флуорофора приводит к тушению флуоресценции. Для выяснения роли карбоксильной группы в ароматическом кольце, сопряжённом с флуорофором, были синтезированы флуорофоры с орто- и пара аминобензойными кислотами. Полученные результаты однозначно показали, что карбоксильная группа, в отличие от гидроксильной, не вызывает тушения флуоресценции. На следующем этапе аминофенол был использован для модификации карбоцианинов в качестве О-нуклеофила. Нами разработана методика синтеза и выделения без проведения промежуточных хроматографических очисток. Предложенный метод был распространён на все изомеры аминофенолов. Показано, что фотофизические свойства полученных флуорофоров определяются положением амино-группы: орто-замещение вызывает тушение эмиссии, тогда как пара- и мета-изомеры флуоресцируют. Для получения дитопного трикарбоцианина необходимо вводить ионогенные группы как в мезо-положение полиметиновой цепи, так и в гетероциклический фрагмент. Были получены трикарбоцианины с одной ионогенной группой в гетероциклическом фрагменте, которые были введены в реакцию нуклеофильного замещения атома хлора с орто-аминофенолом. Было установлено, что увеличение количества ионогенных групп и изменение распределения заряда в структуре существенно снижают стабильность флуорофора и его устойчивость к нуклеофильным реагентам. Был синтезирован симметричный трикарбоцианин на основе гетероциклической соли, содержащей карбоксильную и гидроксильную группу в индолениновом гетероцикле для формирования дитопного рецептора. Полученные данные убедительно демонстрируют принципиальную возможность получения трикарбоцианина, содержащего два комплексообразующих центра. На следующем этапе были исследованы изменения фотофизических характеристик флуорофоров, а также их взаимодействие с лекарственными веществами и солями металлов. Было исследовано связывание модельных аналитов с красителями с помощью скорости их взаимодействия. Было установлено, что наибольшую разницу показали в интенсивности карбоцианинов и системы (краситель+антибиотик) для поглощения в каналах R и G в видимом свете, а для флуоресценции при фиксации ее через 60 минут. Наиболее выраженные изменения фиксируются для цефотаксима в области видимого света и для цефепима в ИК-диапазоне. Для соединений, модифицированных ароматическими аминокислотами, а также аминофенолами введенными как O- и как N-нуклеофилы были проведены аналитические испытания, направленные на изучение их способности к комплексообразованию и влияния на фотофизические характеристики. Было установлено, что трикарбоцианин, содержащий фрагмент аминофталевой кислоты, имеет собственную флуоресценцию, при этом образование его комплекса с Cu2+ приводит к ее тушению. Краситель, модифицированный аминосалициловой кислотой, продемонстрировал избирательную реакцию на ионы Fe³⁺. Было установлено, что добавление Mn²⁺ к красителю, содержаний орто-аминофенол, как N-нуклеофил, привело к уменьшению поглощения при 747 нм и появлению полосы при 576 нм, что указывает на образование комплекса. Было изучено влияние модельных фармацевтических соединений на оптический отклик красителя в присутствии ионов металла. Эти эксперименты были направлены на оценку сенсорных возможностей системы «металл–краситель». Смешивание модельных соединений с трикарбоцианином, содержаний орто-аминофенол, как N-нуклеофил, в присутствии ионов Mn2+ приводило к различным цветовым эффектам, характер которых менялся со временем. Результаты показали, что комплекс красителя с ионом металла проявляет склонность связываться с органическими молекулами в качестве дополнительных лигандов с вероятным образованием комплексов красителя – Mn(2+) – L. Было исследовано комплексообразование красителей, содержащих аминофенолы, как О-нуклеофилы. В водном растворе красители подвергаются медленной (десятки минут) деградации с изменением поглощения. Наибольший эффект влияния ионов металлов на аналитический сигнал наблюдали для соединения, с атомами азота и кислорода в орто-ориентации. Таким образом, положение аминогруппы определяющим образом влияет на аналитически значимые свойства. Таким образом, был выполнен синтез серии карбоцианиновых красителей с одним и двумя центрами связывания и была исследована их способность взаимодействовать с катионами переходных металлов и с низкомолекулярными аналитами, включая антибиотики группы цефалоспоринов. Была показана принципиальная возможность синтеза дикарбоцианинов и трикарбоцианинов с двумя комплексообразующими центрами. Представленные результаты формируют прочную экспериментальную основу для дальнейшего создания функциональных синтетических рецепторов на базе карбоцианиновых флуорофоров. Полученные соединения перспективны как компоненты сенсорных массивов для распознавания объектов близкого состава.