Анализ взаимодействия молекулы ДНК с металлокомплексами in vitro тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат наук Алексеев Георгий Владимирович

• Алексеев Георгий Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеев Георгий Владимирович

Введение

Глава 1. Взаимодействие биологически активных веществ с молекулой ДНК в растворе

1.1. ДНК - основная мишень действия противоопухолевых препаратов

1.2. Металлокомплексы и их использование в противоопухолевой терапии

1.2.1. Цис-ДДП и ее аналоги

1.2.2. Соединения с диаминокарбеновыми лигандами и перспективы их использования в медицине

1.2.3. Фталоцианины и их биологическая активность

Глава 2. Методы исследования и материалы

2.1. Электронная спектроскопия (спектроскопия поглощения)

2.2. Метод кругового дихроизма

2.3. Низкоградиентная вискозиметрия

2.4. Динамическое двойное лучепреломление

2.5. Динамическое светорассеяние (ДРС)

2.6. Методы скоростной седиментации и изотермической диффузии

2.7. Атомная силовая микроскопия

2.8. Люминесцентная спектроскопия

2.9. Термическая денатурация ДНК, метод изучения плавления ДНК

2.10. Материалы

Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Сравнение влияния цисплатина и карбоплатина на конформацию молекулы ДНК

в растворе

3.2 Взаимодействие молекулы ДНК с соединением платины

со сложным органическим лигандом

3.3. Анализ взаимодействия ДНК с соединениями платины и палладия с диаминокарбенами

3.4. Металлокомплексы фталоцианинов и их взаимодействие с молекулой ДНК

3.4.1. Изучение взаимодействия молекулы ДНК с соединением NiPC

3.4.2. Изучение взаимодействия молекулы ДНК с соединением CoPC

3.4.3. Изучение взаимодействия молекулы ДНК с соединением CuPC

3.5. Изучение системы ДНК-ПАВ-металлокомплексы фталоцианинов

Заключение

Список сокращений и обозначений

Список литературы

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ взаимодействия молекулы ДНК с металлокомплексами in vitro»

Введение

Проблема борьбы с онкологическими заболеваниями тесно связана с поиском фармацевтических препаратов, способных эффективно подавлять рост опухолей и бороться с метастазами. Основным направлением для поиска подобных препаратов является выявление веществ, действие которых направлено на подавление репликации ДНК через формирование комплексов с макромолекулой в клетке. Координационные соединения платины и металлов платиновой группы с различными лигандами занимают особое место среди потенциальных противоопухолевых препаратов. После открытия Розенбергом в 60-е годы противоопухолевой активности цис-дихлородиамминплатины (II), сокращенно цис-ДДП [1], которая блокирует деление клеток, связываясь с ДНК, начался активный поиск противоопухолевых препаратов среди соединений платины. Это было связано с тем, что использование препарата, который получил название цисплатин, сопровождалось серьезными побочными эффектами. До настоящего времени так и не найдено заменителя цисплатина с такой же эффективностью, несмотря на активный поиск и синтез новых лекарственных форм. В связи с этим проблема направленной модификации цисплатина и испытание новых металлокомплексов в качестве потенциальных противоопухолевых препаратов остаются актуальными.

Модификация цис-ДДП осуществлялась разными способами. Были предприняты попытки использовать транс-изомер этого соединения с другими лигандами (как известно, транс-ДДП противоопухолевой активностью не обладает). При этом положительный результат был достигнут при использовании некоторых соединений четырехвалентной платины [2]. Транс-ДДП также взаимодействует с ДНК, но при этом образует преимущественно монофункциональные аддукты, которые репликации ДНК никак не мешают, в отличие от бифункциональных аддуктов цис-ДДП. Одним из перспективных направлений модификации координационных соединений в этой связи является замена координирующего центра [3-6]: вместо платины используют палладий, осмий, иридий, рутений и прочие элементы. Еще одним способом модификации координационных соединений металлов является замена лигандов [710]. При этом используют гетероциклы и иные включения, например, порфирины и фталоцианины. В частности, в качестве потенциальных противоопухолевых соединений рассматривают металлизированные дифталоцианины со структурой типа «сэндвич». Всестороннее исследование их свойств, а также рассмотрение молекулярных механизмов их взаимодействия с ДНК представляют значительный интерес для направленного синтеза новых противоопухолевых агентов.

В настоящее время в клинике используется всего несколько препаратов платины - кроме цисплатина это карбоплатин и оксалиплатин. Они допущены FDA (U.S. Food and Drug Administration). Также в разных странах Европы и Азии локально применяются ещё 9 препаратов.

Среди соединений, взаимодействие которых с молекулой ДНК изучали в работе, следует отметить новую группу соединений платины и палладия, в которой присутствуют органические лиганды - диаминокарбены. Ряд таких соединений прошел успешные испытания на двух клеточных линиях. Эти лиганды использовали ранее при синтезе координационных соединений золота [8]. В диссертационной работе используется также новый препарат платины BP-C1, содержащий полифенольный лиганд растительного происхождения (полученный в результате переработки лигнина) [11]. Препарат показал хорошие результаты при проведении предварительных тестовых испытаний. Наконец, металлокомплексы меди, кобальта и цинка, содержащие фталоцианины, также используются в данной работе.

Так как основной мишенью действия противоопухолевых препаратов платины и их аналогов является молекула ДНК, широко распространено тестирование их биологической активности в модельных системах - водно-солевых растворах ДНК. Именно такой подход, дающий представление о молекулярных основах биологической активности соединений этого класса, используется в диссертационной работе.

Из сказанного выше следует актуальность проведенных исследований, которые нацелены на выявление молекулярного механизма действия новых соединений -потенциальных противоопухолевых препаратов.

Практическая значимость работы заключается в том, что первичное тестирование на модельных системах (при использовании водно-солевых растворов ДНК, содержащих выбранные соединения) существенно облегчает выбор перспективных соединений для дальнейших более трудоемких испытаний на клетках, с использованием лабораторных животных и в клинической практике.

Новизна проведенного исследования заключается в том, что в данной работе рассматривается три класса новых координационных соединений. Это соединения платины и палладия с органическими лигандами, многоядерный комплекс платины с крупным полимерным лигандом - продуктом переработки лигнина и металлокомплексы фталоцианинов. Соединения отличаются природой иона-комплексообразователя, а также строением и свойствами лигандов, введенных в координационную сферу металлов. Все соединения, используемые в работе, ранее тестирование на модельных системах, содержащих ДНК, не проходили, молекулярный механизм их действия не был известен.

Целью диссертационной работы является установление молекулярного механизма действия новых соединений: препарата BP-C1, ряда соединений платины и палладия с диаминокарбеновыми лигандами, комплексов никеля, кобальта и меди, содержащих фталоцианины, а также сравнение их действия с действием известных противоопухолевых препаратов цисплатина и карбоплатина.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Охарактеризовать структурные особенности и характер взаимодействия препарата BP-

с ДНК; провести сравнение влияния ВР-С1, цисплатина и карбоплатина на физико-химические свойства молекулы ДНК.

2. Проанализировать взаимодействие высокомолекулярной ДНК в растворе с соединениями платины и палладия с диаминокарбеновыми лигандами; изучить характер комплексообразования, влияние природы иона-комплексообразователя и роли лигандов в связывании соединений с ДНК.

3. Изучить физико-химические свойства комплексов ДНК с координационными соединениями металлов, содержащими фталоцианины; рассмотреть влияние ионной силы раствора на комплексообразование, провести анализ конформационных изменений ДНК при связывании с этими соединениями.

4. Сформировать структуры ДНК-металлокомплексы с фталоцианинами-ПАВ и изучить их структуру и свойства в растворах.

Достоверность полученных результатов обоснована их непротиворечивостью, воспроизводимостью и согласованностью данных различных методов, принципиальным согласием с существующими в литературе представлениями о потенциальных возможностях подобных соединений при комплексообразовании с биологическими молекулами.

Для установления взаимодействия ДНК с исследуемыми соединениями и для оценки конформационных изменений ДНК при связывании использовали методы УФ-спектрофотометрии, кругового дихроизма, флуоресцентной спектроскопии, вискозиметрии, динамического двойного лучепреломления в потоке, динамического светорассеяния, атомной силовой микроскопии, метод анализа кривых плавления ДНК. Для оценки размеров соединения платины со сложным полимерным лигандом использовали также метод седиментации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Показано, что соединение платины с полимерным лигандом (продуктом переработки лигнина) взаимодействует с молекулой ДНК путем формирования координационной

связи платины с азотистыми основаниями. При этом нарушается связь платина-сложный лиганд.

2. Проведено сравнение конформационных изменений ДНК при ее взаимодействии с новыми соединениями платины и палладия и известными противоопухолевыми препаратами - цисплатином и карбоплатином. Показано, что во всех случаях формируется координационная связь металла с ДНК, при этом наличие органических лигандов приводит к проявлению особенностей влияния конкретного соединения на конформационные свойства ДНК.

3. Соединения платины и палладия с лигандами циклогексилом на ксилилом связываются с ДНК в большой бороздке. Отличие от их действия на молекулярнгом уровне от действия цисплатина заключается в том, что формируются монодентатные комплексы атомов платины с основаниями ДНК, в результате чего происходит выход в раствор лигандов, которые вступают во вторичное связывание с макромолекулой.

4. Используемые в растворе металлокомплексы, содержащие фталоцианины (СиР^ NiPC, CoPC) связываются с молекулой ДНК в растворе, и такое связывание стабилизирует раствор и препятствует высаживанию препаратов. Все соединения образуют комплексы с макромолекулой по фосфатным группам, располагаясь на периферии двойной спирали (внешнее связывание). Определены константы связывания соединений с ДНК.

5. Показана возможность формировнания структур, содержащих комплексы ДНК с соединениями, включающими фталоцианиновые лиганды, с участием катионного светочувствительного поверхностно-активного вещества (ПАВ) в растворе и доказана их устойчивость.

Личный вклад автора заключается в подготовке образцов, в методических разработках, в проведении экспериментальных исследований, в обработке данных, в совместном обсуждении результатов и написании научных публикаций, в представлении результатов исследований на конференциях. В исследованиях взаимодействия ДНК с соединением платины с полимерным лигандом при проведении параллельных исследований сложных систем гидродинамическими и спектральными методами принимала участие аспирантка Чжан Цюши, исследования систем методом флуоресценции были проведены при консультации с.н.с., к.ф.-м.н. Бакулева В.М., исследование физико-химических свойств соединения платины с полимерным лигандом методом динамического светорассеяния выполнено при участии Ролича В.И., изучение систем с использованием метода атомной силовой микроскопии было

проведено вместе с к.ф.-м.н., доцентом П.А. Соколовым. Личный вклад автора при проведении совместных исследований был не менее 70 %.

Результаты работы были представлены на конференциях и симпозиумах:

9th European Biophysics Congress, Lisbon, Portugal, 2013; Конференции Физика СПб Физика СПб, ФТИ им. Иоффе, Санкт-Петербург, 2013, 2014; Международная студенческая конференция Science&Progress, СПбГУ, Санкт-Петербург, 2013; XVII Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Владимир, 2014; XXVII Зимняя молодёжная научная школа «Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии», ИБХ РАН им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, Москва, 2015; 10th Europian Biophysics Congress EBSA, Dresden, Germany, 2015; IV конференция Современные проблемы молекулярной биофизики, Санкт-Петербург, 2016; XVIII Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Ярославль, 2016; VI съезд биофизиков России, Сочи, 2019.

Публикации по теме диссертации:

1. Алексеев Г.В., Касьяненко Н.А. Изучение многокомпонентных систем ДНК -металлокомплексы с фталоцианинами - ПАВ. - Тезисы докладов Российской молодёжной конференции по физике по физике и астрономии ФизикаСПб 23-24 октября 2013 года. - 2013. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета. -С. 58.

2. Kasyanenko N., Lysyakova L., Qiushi Z., Alexeev G., Reveguk Z.. Gene vectors with the inclusion of anticancer drugs and metal nanoparticles // European Biophysics Journal with Biophysics Letters. - 2013. - Т. 42 (Suppl. 1). - S. 113. - P-296.

3. Alekseev G. Study of DNA interaction with the metallized diphtalocyanines, стендовый доклад. Сборник «Conference abstracts International Student Conference Science and Progress». / DAAD, German-Russian Interdisciplinary Science Center. / Санкт-Петербургский государственный университет, Freie Universitat Berlin. / 2013. - St. Petersburg - Peterhof September, 30-October, 4. - С. 109.

4. Алексеев Г. В., Касьяненко Н. А. Комплексы ДНК с координационными соединениями металлов, содержащими фталоцианины, и их стабильность при компактизации макромолекулы. Сборник тезисов XVII Симпозиума по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул, Владимир, 25 июня 2014 г. под ред. О.В. Гринёвой. / 2014. - Москва: МГУ. - С. 33-34.

5. Алексеев Г. В., Бакулев В. М., Касьяненко Н. А. Изучение многомерных конструкций в системах ДНК - металлокомплексы фталоцианинов - ПАВ in vitro. / Тезисы докладов Российской молодёжной конференции по физике и астрономии ФизикаСПб 28-30 октября 2014 года. - 2014. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета. - С. 50-51.

6. Алексеев Г. В., Чжан Цюши. Тестирование биологической активности нового противоопухолевого соединения платины на молекулярном уровне. / Сборник тезисов «Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии». - ИБХ РАН. Москва. 9-12 февраля 2015. - Под редакцией Т. В. Овчинниковой. Л. И. Петровой. -С. 112.

7. Alekseev G., Fedoros E., Panchenko A., Zhang Q., Rolich V., Bakulev V., Perevyazko I., Kasyanenko N.A. DNA interaction with new anticancer platinum drug with highmolecular benzenepolycarboxylic acids // European Biophysics Journal with Biophysics Letters. - 2015. -Т. 44 ( Suppl. 1). - S. 241. - P-759.

8. Алексеев Г.В., Дьячкова О.О., Андреева А.А., Серебрянская Т.В., Касьяненко Н.А. Взаимодействие Pt(II)- и Pd(II)-содержащих координационных соединений с тимусной ДНК in vitro. / Сборник тезисов IV конференции «Современные проблемы молекулярной биофизики», 14-15 июня 2016 г. - СПбГУ. - С. 41.

9. Алексеев Г.В., Серебрянская Т.В., Бакулев В.М., Андреева А.А., Касьяненко Н.А. Взаимодействие ДНК с диаминокарбеновыми соединениями платины и палладия. / Сборник научных трудов VI Съезда биофизиков России. - Сочи. - 2019. - том 1. - с. 106.

10. Alekseev G., Kasyanenko N. Properties of multicomponent system DNA-phthalocyanine metallocomplexes-surfactants. // Journal of Physics: Conference Series. - 2014. - Т. 572. - № 1.

- С. 012011.

11. Kasyanenko N., Lysyakova L., Ramazanov R., Titov E., Alexeev G., Lezov A., Unksov I., Nesterenko A., Yaroshevich I. Conformational and phase transitions in DNA — photosensitive surfactant solutions: experiment and modeling. // Biopolymers. - 2015. - Т. 103.

- № 2. - С. 109-122.

12. Алексеев Г.В., Касьяненко Н.А. Сравнение влияния карбоплатина и цисплатина на структуру молекулы ДНК в растворе // Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика. Химия. - 2018. - Том 5(63). - Выпуск 1. - с. 4-12.

13. Protas A.V., Popova E. A., Mikolaichuk O. V., Porozov Y. B., Mehtiev A. R., Ott I., Alekseev G. V., Kasyanenko N. A., Trifonov R. E.. Synthesis, DNA and BSA binding of Pd(II) and Pt(II) complexes featuring tetrazolylacetic acids and their esters // Inorganica Chimica Acta. -2018. - Т. 473. - С. 133-144.

Глава 1. Взаимодействие биологически активных веществ с молекулой ДНК в растворе

1.1 ДНК - основная мишень действия противоопухолевых препаратов

Молекула дезоксорибонуклеиновой кислоты (ДНК) является носителем наследственной информации. В состав мономерного звена макромолекулы, нуклеотида, входит остаток фосфорной кислоты, дезоксорибоза и одно из четырех азотистых оснований (рис. 1.1.1). Моносахариды в нуклеиновых кислотах (НК) всегда представлены в фуранозной форме (рис. 1.1.2).

Рисунок 1.1.1 - Химическое строение нуклеотида

Рисунок 1.1.2 - Строение рибозы и дезоксирибозы в составе нуклеиновых кислот

Мономерные звенья нуклеиновых кислот (НК) связаны между собой фосфодиэфирными связями, в образовании которых участвуют 5' и 3' атомы углерода сахара (рис. 1.1.3).

Азотистые основания нуклеиновых кислот (рис. 1.1.4) относятся либо к пуринам (аденин (А) и гуанин (Г)), либо к пиримидинам (тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У)). В составе РНК

(молекулы рибонуклеиновой кислоты) есть урацил и нет тимина, у ДНК - наоборот. Различается и конформация сахара у РНК и ДНК. Пуриновые основания образуют N гликозидную связь с первым атомом углерода дезоксирибозы в составе ДНК через девятый атом азота оснований, пиримидиновые же - через первый атом азота оснований.

Рисунок 1.1.3 - Строение цепи ДНК

Рисунок 1.1.4 - Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания нуклеиновых кислот

Азотистые основания ДНК попарно комплементарны - аденин образует две водородные связи с тимином, гуанин - три водородные связи с цитозином. Образование вторичной структуры ДНК происходит за счёт образования водородных связей между комплементарными основаниями (рис. 1.1.5).

Рисунок 1.1.5 - Комплементарные азотистые основания ДНК и водородные связи между ними

ДНК в нативном состоянии представляет собой двойную спираль - две полимерные цепи, связанные водородными связями [11]. На рис. 1.1.6. представлена вторичная структура ДНК (В-форма), которая реализуется в растворе и в клетке. У всех живых организмов ДНК - это линейный (неразветвленный) полимер. Для удобства описания полинуклеотидной цепи ей задаётся определённое направление. На одном из её концов остаётся свободной 5'-ОН-группа, а на другом З'-ОН-группа. Направление полинуклеотидной цепи задается от 5' к 3' концу. В двуспиральной молекуле ДНК две цепи антипараллельны, т.е. одна имеет направление 5'^3', а другая 3'^5' [12]. Последовательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи определяет первичную структуру ДНК. Три нуклеотида кодируют определенную аминоктслоту.

Азотистые основания направлены внутрь спирали, а их плоскости перпендикулярны оси спирали и параллельны друг другу. Так внутри спирали формируется стопка оснований, в которой возникают стэкинг-взаимодействия, которые дополнительно стабилизируют двойную спираль. Эти взаимодействия имеют гидрофобную природу [13].

В зависимости от степени гидратации ДНК может существовать в В или А формах. А-форма ДНК, в которой на виток спирали приходится 11 пар оснований, плоскости оснований наклонены к оси спирали под углом 70°, диаметр спирали равен 20 А, существует при условии, когда содержание воды не превышает 80%. В-форма ДНК - это классическая уотсон-

криковская двойная спираль. Образование В-формы наблюдается при содержании воды более 80 %. Она характерна для ДНК в растворе и в клетке. Для В-формы характерно наличие большой и малой бороздок, перпендикулярная ориентация плоскостей оснований относительно оси спирали, расстояние между которыми равно 0,34 нм, а на 1 виток спирали приходится 10 пар оснований, диаметр спирали - 20А.

л

Рисунок 1.1.6 - Вторичная структура ДНК в растворе и в клетке (В-форма)

В 80-е годы Ричем и его сотрудниками была предложена модель Z-формы ДНК (рис. 1.1.7). Это левозакрученная двуспиральная структура с 12 парами оснований на виток, шаг спирали составляет 44,6 А [13].

В растворе высокомолекулярная двуспиральная ДНК обычно сворачивается в статистический клубок. Это так называемая третичная структура ДНК в растворе. Так как

практически во всём диапазоне рН молекула ДНК имеет отрицательный заряд на фосфатных группах, то конформацию молекулы ДНК во многом определяют электростатические взаимодействия: дальние взаимодействия отвечают за полиэлектролитное набухание клубка, а изменение ближних взаимодействий приводит к изменению «электростатической составляющей» персистентной длины, которое наблюдается только при малых значениях ионной силы раствора (когда концентрация №С1 в растворе не превышает 0,003 М [14]). При больших же ионных силах полиэлектролитное набухание ДНК подавлено. При концентрациях соли более 1 М важную роль начинают играть неэлектростатические объёмные эффекты [14].

Рисунок 1.1.7 - Z форма ДНК

В области кислых pH молекула ДНК помимо отрицательного заряда на фосфатных группах может приобрести и положительный заряд в результате протонирования азотистых оснований. В настоящее время считается, что в нативной ДНК первой протонируется наиболее слабая протон-акцепторная группа - N7 гуанина [15], которая, в отличие от протон-акцепторных центров других оснований, не участвует в образовании водородных связей, а выходит в большую бороздку ДНК и более доступна для протонов среды. Величина pK для N7 гуанина зависит от ионной силы раствора (рK = 3,3 для ДНК в 0,15 M и рK = 4,7 в 0,005 M №0) [15], поэтому существует достаточно широкая область pH в которой заряд макромолекулы определяется только наличием отрицательно заряженных фосфатных групп, причем на каждые 3,4 А приходится 2 заряда электрона. При изменении же внешних условий (температуры и/или pH среды) можно наблюдать тепловую, кислотную или щелочную денатурацию ДНК («плавление» ДНК). Это процесс разрушения водородных связей и стэкинг взаимодействий, что приводит к расплетению и разделению цепей, т.е. к утрате нативности ДНК.

1.2 Металлокомплексы и их использование в противоопухолевой терапии

Действие алкилирующих антибластических препаратов, к которым относятся препараты платины, основано на связывании их молекул с основаниями ДНК. При взаимодействии молекула препарата способна создавать внутринитевые и межнитевые сшивки, что, в конечном итоге, приводит к нарушению репликации ДНК [16, 17].

Координационное соединение - это соединение, содержащее группу ионов или нейтральных молекул, размещённых в определённом порядке (т.е. координированных) вокруг центрального атома или иона. Центральный атом или ион в таком соединении именуется комплексообразователем. Поэтому координационные соединения иначе называют комплексными соединениями. Координационных центров в молекуле может быть и несколько. Координируемые центром группы ионов или нейтральных молекул носят название лигандов (от лат. ligare - связывать). Иногда координационными соединениями называют те, в структуре которых есть крупные молекулы, соединённые с центром координационными связями (они же донорно-акцепторные, осуществляемые неподелённой парой электронов атома-донора и свободной орбиталью атома-акцептора).

Рисунок 1.2.1 - Механизм образования координационной связи при формировании

комплексного катиона [18]

Центром в большинстве случаев является положительно заряженный ион металла. Комплексное соединение может содержать внутреннюю и внешнюю координационные сферы [19]. Внутренняя координационная сфера - это центральный атом и непосредственно связанные с ним лиганды, которые не диссоциирует при растворении в воде. Внешняя сфера - это ионы, привязанные к лигандам внутренней сферы ионной или водородной связью, диссоциирующие при растворении. Комплексные соединения, имеющие внешнюю координационную сферу, всегда являются электролитами, и в водных растворах они диссоциируют на координационный ион и ионы внешней сферы. Внутренняя сфера может иметь любой по знаку заряд или не иметь его вовсе. По заряду можно поделить комплексы на катионные, образованные координацией

нейтральных молекул вокруг положительного иона (пример - хлорид тетрааминцинка (II), [2и(ЫНз)4]С12, здесь у иона цинка заряд 2+, КНз - нейтральная молекула, два иона хлора во внешней координационной сфере имеют заряд 2-), анионные и нейтральные, образующиеся при координации молекул вокруг нейтрального атома либо при координации отрицательных ионов вокруг положительного комплексообразователя (пример - диаминодихлорплатина (II) [Р1 (Шз)2С12]).

Рисунок 1.2.2 - Внутренняя координационная сфера тетрааминцинка, алюмогидрид лития и

цис- диаминдихлорплатина (II)

В описании координационных соединений также используются понятия «координационное число» и «дентантность лиганда». Координационное число - число связей во внутренней сфере (т.е. связей, которые способен установить координационный центр с лигандами). Дентантность лиганда - число мест, занимаемых лигандом во внутренней сфере комплексообразователя. Бывают моно-, би- и полидентантные лиганды.

Рисунок 1.2.3 - Структура комплексного соединения на примере гексацианоферрата (III) калия

Рисунок 1.2.4 - Координационные соединения с различной геометрией молекул [18]

сг сг

Рисунок 1.2.5 - Пространственное строение изомеров ^(ЫН^СЬ], слева транс-, справа цис-

изомер [18]

Координационные соединения могут быть использованы в качестве индикаторов в аналитической химии, катализаторов в неорганическом и органическом синтезе и т.д. [20]. Они встречаются и в биологических объектах. Гем и хлорофилл - это координированные с железом и магнием порфирины.

Рисунок 1.2.6 - Металлопорфирины гем и хлорофилл

1.2.1 Цис-ДДП и её аналоги

В медицине координационные соединения чаще всего используются в онкохимиотерапии. Всё началось в середине 60-ых годов 20 века с открытия Барнетта Розенберга, наблюдавшего гибель E. Coli в присутствии комплексных соединений платины [21], что привело автора к мысли, что такие соединения могут быть противоопухолевыми препаратами. Дальнейшие исследования на мышах подтвердили догадку. Так была обнаружена активность соединения цис-ДДП [22].

Открытие цисплатина в качестве противоопухолевого препарата побудило исследователей заняться поиском аналогов среди подобных соединений. Антибластическое и цитотоксическое действие цисплатина показано в экспериментах на многих моделях: микроорганизмах, вирусах, растительных и животных клетках, а также перевивных опухолях и лейкозах, что говорит о том, что цисплатин обладает широким спектром действия [23]. Также стала очевидной роль геометрии молекулы в биологических процессах: транс-ДДП не показала противоопухолевой активности, проявляя на клетках мутагенную активность.

Механизм действия цисплатина к настоящему времени в целом установлен, хотя до сих пор ведутся споры об основной модели связывания. Препарат в клеточном ядре способен связаться с седьмым атомом азота гуанина молекулы ДНК (позиция N7 гуанина доступна для лигандов, так как выходит в большую бороздку ДНК и отличается повышенной электроотрицательностью), что может привести к образованию внутринитевых и межнитевых сшивок. В первом случае искажается естественная геометрия укладки молекулы ДНК в ядре (происходит изгиб двойной спирали), во втором случае нити двойной спирали сшиваются, что делает невозможной репликацию. В итоге при подходящих условиях возникает ситуация, когда клетка не может делиться, выключается из клеточного цикла и гибнет.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеев Георгий Владимирович, 2019 год

Список литературы

1. Monneret C. Platinum anticancer drugs. From serendipity to rational design // Annales Pharmaceutiques Francaises. - 2011. - Т. 69. - №6. - С. 286-295.

2. Hall M. D., Hambley T. W. Platinum(IV) antitumour compounds: their bioinorganic chemistry // Coordination Chemistry Reviews. - 2002. - Т. 232., №1-2. - С. 49-67.

3. Marloye M., Berger G., Gelbcke M., Dufrasne F. A survey of the mechanisms of action of anticancer transition metal complexes. // Review, Future Medicinal Chemistry. - ISSN 17568919. - Published online: 22 November 2016.

4. Barnard C. Platinum Group Metal Compounds in Cancer Chemotherapy An overview of the history and the potential of anticancer pgm compounds // Johnson Matthey Technology Review. - 2017. - Т. 61. - № 1. - С. 52-59.

5. Jia P., Ouyang R., Cao P. G., Tong X., Zhou X., Lei T., Zhao Y., Guo N., Chang H., Miao Y. and Zhou S. Recent advances and future development of metal complexes as anticancer agents // Journal of Coordination Chemistry. - 2017. - Т. 70. - №13. - С. 2175-2201.

6. Ndagi U., Mhlongo N., Soliman M. E. Metal complexes in cancer therapy - an update from drug design perspective // Drug Design, Development and Therapy. - 2017. - Т.11. - С.599-616.

7. Deo K. M., Pages B.J., Ang D. L., Gordon C. P. , Aldrich-Wright J. R. Transition Metal Intercalators as Anticancer Agents—Recent Advances // International Journal of Molecular Sciences. -2016. - Т. 17. - №11. - С. 1818.

8. Aliaga-Lavrijsen M., Herrera R, P., Villacampa M. D., and Gimeno M. C. Efficient Gold(I) Acyclic Diaminocarbenes for the Synthesis of Propargylamines and Indolizines // ACS Omega. - 2018. - Т. 3. - №8. - С. 9805-9813.

9. Xiao-Qin Zhou, Lu-Bo Meng, Qi Huang, Mr. Jun Li, B.S., Ke Zheng, Feng-Ling Zhang, Jian-Yong Liu, Jin-Ping Xue. Synthesis and in vitro anticancer activity of zinc(II) phthalocyanines conjugated with coumarin derivatives for dual photodynamic and chemotherapy. // ChemMedChem. - 2015. - Т. 10. - №2. - С. 304-311.

10. García-Ramos J.C., Galindo-Murillo R., Cortés-Guzmán F., Ruiz-Azuara L. MetalBased Drug-DNA Interactions // Journal of the Mexican Chemistry Society. - 2013. - Т. 57. - №3. -С. 245-259.

11. Navolotskii D.V., Ivanenko N.B., Solovyev N.D., Fedoros E.I., Panchenko A.V. Pharmacokinetics and tissue distribution of novel platinum containing anticancer agent BP-C1 studied

in rabbits using sector field inductively coupled plasma mass spectrometry // Drug Testing and Analysis. - 2015 - Т. 7. - №9. - С. 737-744.

12. Watson J.D., Crick F.H.C. A structure of dezoxyribose nucleic acid // Nature. - 1953. -Т. 171. - С. 737-738.

13. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот, пер. с англ. // М.: Мир. - 1987.

14. Фрисман Э. В., Касьяненко Н. А. Оптическое и гидродинамическое поведение ДНК в растворах большой ионной силы // Молекулярная Биология. -1990. - Т. 24. - №2. - С. 301-312.

15. Касьяненко Н.А. Влияние рН раствора на структуру и свойства молекулы ДНК // Методическое пособие. - СПбГУ. - Санкт-Петербург. - 1998.

16. Cepeda V., Fuertes M. A., Castilla J., Alonso C., Quevedo C. and. Pérez J. M. Biochemical Mechanisms of Cisplatin Cytotoxicity // Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry. -2007. - Т. 7. - № 1. - С. 3-18.

17. Mudiyanselage R., Rajapakse G., Dunuweera S.P. Discovery, Chemistry, Anticancer Action and Targeting of Cisplatin // International Journal of Clinical Oncology and Cancer Research. -2017. - Т. 2. - № 3. - С. 65-74.

18. Глинка Н. Л.. Общая химия. - Издательство Кнорус. - 2019. - 750 с.

19. Киселёв Ю.М., Добрынина Н.А. Химия координационных соединений. - М.: Академия. - 2007.

20. Kinzhalov M, A., Luzyanin K. V., Boyarskiy V. P., Haukka M, and Kukushkin V, Yu. ADC-Based Palladium Catalysts for Aqueous Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Exhibit Greater Activity than the Most Advantageous Catalytic Systems // Organometallics. - 2013. - Т. 32. - №18. -С.5212-5223.

21. Rosenberg B., Van Camp L., Krigas T. Inhibition of Cell Division in Escherichia coli by Electrolysis Products from a Platinum Electrode // Nature. - 1965. - Т. 205. - С. 698 - 699.

22. Rosenberg B., Van Camp L., Trosko J.E., Mansour V. N.. Platinum compounds: a new class of potent antitumour agents // Nature. - 1969. - Т. 222. - С. 385-386.

23. Rong Zhang, Yijie Niu, Yikai Zhou. Increase the cisplatin cytotoxicity and cisplatin-indused DNA damage in HepG2 cells by XRCC1 abrogation related mechanisms // Toxicology Letters. - 2010. - Т. 192. - №2. - С. 108-114.

24. Космотынская Ю.В. Влияние состава растворителя и гамма-облучения на взаимодействие молекулы ДНК с координационными соединениями платины: диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 02.00.06 - высокомолекулярные соединения. - СПб. - Космотынская Юлия Валерьевна. - 2006.

25. Касьяненко Н.А., Фрисман Э.В., Валуева С.В., Сморыго Н.А., Дьяченко С.А. Исследование взаимодействия молекулы ДНК с координационными соединениями двухвалентной платины 1. взаимодействие цис-ДДП с молекулой ДНК // Молекулярная Биология. - 1995. - Т. 29. - С. 345-353.

26. Касьяненко Н.А., Фрисман Э.В., Карымов М.А., Сморыго Н.А., Дьяченко С.А. Исследование взаимодействия молекулы ДНК с координационными соединениями двухвалентной платины II. влияние природы и расположения лигандов в первой координационной сфере платины // Молекулярная Биология. - 1995. - Т. 29. - С. 580-588.

27. Jamieson E. R., Lippard S. J. Structure, Recognition, and Processing of Cisplatin-DNA Adducts // Chemical Reviews. - 1999. - Т. 99. - № 9. - С. 2467-2498.

28. Beck D. J., Popoff S.C. Toxic Effects of cis- and trans-Diaminedicloroplatinum (II) in uvrD mutants of Esherichia coli // The Ohio Journal of Science. - 1994. - Т. 94. - № 4. - С. 99-104.

29. Trzaska S. Cisplatin // Chemical&Engeneering News. - 2005. - Т. 83. - № 25. - С. 52.

30. Dhara S.C. A rapid method for the synthesis of cis-[PtCl2(NH3)2] // Indian Journal of Chemistry. 1970. - Т. 8. - С. 193-134.

31. Yanyan Sun, Shaohua Gou, Fei Liu, Runting Yin, and Lei Fang. Synthesis, in vitro cytotoxicity, and interaction with DNA of platinum(II) complexes with N-vonocycloalkyl derivatives of 1R,2R-diaminocyclohexane as Carrier Ligands // ChemMedChem. - 2012. - Т. 7. - № 4. - С. 642 - 649.

32. Alderden R.A., Hall M. D., Hambley T. W. The discovery and development of cisplatin // Journal of Chemistry. - 2006. - Т. 83. - № 5. - С. 728-734.

33. Mazumder M. E., Beale P., Chan C., Yu J., Huq F. Synthesis and cytotoxicity of three trans-palladium complexes containing planaramine ligands in human ovarian tumor models // ChemMedChem. - 2012. - Т. 7. - № 10. - 1840-1846.

34. Морозова Е.В. Анализ конформационных изменений ДНК при комплексообразовании с координационными соединениями металлов платиновой группы: диссертационная работа на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, 02.00.06 - высокомолекулярные соединения. - СПбГУ. - 2012.

35. З. В. Ревегук. Изучение взиаимодействия новых оксалатных комплексов паллалия (II) с молекулой ДНК in vitro: выпускная квалификационная магистерская работа. - СПбГУ. -Физический факультет, кафедра молекулярной биофизики. - 2012.

36. Tsipis A.C., Sigalas M. P. Mechanistic aspects of the complete set of hydrolysis and anation reactions of cis- and trans-DDP related to their antitumor activity modeled by an improved ASED-MO approach // Journal of Molecular Structure: Theochem. - 2002. - Т. 584.- № 1 - 3. - С. 235-248.

37. Boyarskaya I. A., Boyarskii V. P. Theoretical study of the structure of acyclic diaminocarbene ligands in Pd(II) complexes // Russian Journal of General Chemistry. - 2015. - Т. 85. - № 4. - С. 894-898.

38. Fares F., Azzam N., Fares B., Larsen S., Lindkaer-Jensen S. Benzene-Poly-Carboxylic Acid Complex, a Novel Anti-Cancer Agent Induces Apoptosis in Human Breast Cancer Cells // Plos One. - 2014. - https://doi.org/10.1371/journal.pone.0085156

39. Butthongkomvong K., Raunroadroong N., Sorrarichingchai S., Sangsaikae I., Srimuninnimit V., Harling H., Larsen S. Efficacy and tolerability of BP-C1 in metastatic breast cancer: a Phase II, randomized, double-blind, and placebo-controlled Thai multi-center study // Breast Cancer: Targets and Therapy. - 2019. - Т. 11. - С. 43-51.

40. Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. - Под ред. И. Л. Кнунянца. - 1988.

41. §engul A, Dogan HZ, Altindal A, Ozkaya AR, Salih B, Bekaroglu O. Synthesis, interface (Au/M2Pc2/p-Si), electrochemical and electrocatalytic properties of novel ball-type phthalocyanines // Dalton Transaction. - 2012. - Т. 41. - № 25. - С. 7559-7572.

42. Szlyk E., Surdykowskia A., Barwiolek M., Larsen E. Spectroscopy and stereochemistry of the optically active copper(II), cobalt(II) and nickel(II) complexes with Schiff bases N,N'-(1R,2R)-(-)-1,2-cyclohexylenebis(3-methylbenzylideneiminato) and N,N'-(1R,2R)-(-)-1,2-cyclohexylenebis(5-methylbenzylideneiminato) // Polyhedron. - 2002. - Т. 21. - № 27. - С. 27112717.

43. Сибилёва М. А., Носова О.В., Сибилёв А.И., Москалёв П.Н. Изучение полиэлектролитных свойств комплексов поли-Ы-винилкапролактама с сульфированным дифталоцианином скандия в водно-солевых растворах // Вестник СПбГУ. - 2007. - Сер. 4. -Вып. 2.

44. Сибилёва М.А., Могучева Ю.Г., Сибилёв А.И., Москалёв П.Н. Изучение полиэлектролитных свойств комплексов ДНК с сульфированными дифталоцианинами скандия и лютеция в солевых растворах обычной и тяжёлой воды // Вестник СПбГУ. - 2007. - Сер.4. -вып.1 .

45. Huang J., Chen N., Huang J., Liu E., Xue J., Yang S., Huang Z., Sun J. Metal phthalocyanine as photosensitizer for photodynamic therapy (PDT) -- Preparation, characterization and anticancer activities of an amphiphilic phthalocyanine ZnPcS2P2 // Science in China (Series B). -2001. - Т. 44. - № 2. - С. 113-122.

46. Chernonosov A. A., Solov'eva L. I.,. Luk'yanets E. A, Knorre D. G., Fedorova O. S., Dimeric Fe-Co Phthalocyanine Complex as a Reagent for the Selective Damage of Nucleic Acids // Macroheterocycles. - 2011. - Т. 4. - № 2. - С. 135-137.

47. Zakrevskyy Y., Kopyshev A., Lomadze N., Morozova E., Lysyakova L., Kasyanenko N., Santer S. DNA compaction by azobenzene-containing surfactant // Physical review E. - 2011. - Т. 84 (2 Рт 1). - С. 021909.

48. Kasyanenko, N., Unksov, I., Bakulev, V., Santer, S. DNA interaction with head-to-tail associates of cationic surfactants prevents formation of compact particles // Molecules. - 2018. - Т. 23. - № 7. - С. 1576.

49. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. - М. - 1975.

50. Свердлова О.В. Электронные спектры в органической химии. - Л.- Химия. - 1973.

51. Иоффе Б.В., Костиков Р.Р., Разин В.В. Физические методы определения строения органических молекул. - Л.: Изд-во Ленинградского ун-та. - 1976.

52. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии -Структурные методы и оптическая спектроскопия. - М.: Высшая школа. - 1987.

53. Демченко А.П. Ультрафиолетовая спектрофотометрия и структура белков. - Киев: Наукова думка. - 1981.

54. Спирин А.С., Спектрофотометрическое определение суммарного количества нуклеиновых кислот // Биохимия. - 1958. - 23(5). - 656-662.

55. Сибилёва М. А., Морошкина Е. Б., Руководство к лабораторному практикуму по молекулярной биофизике. - СПб.: СПбГУ. - 1998.

56. Евдокимов Ю. М. Структурные формы двухцепочечной ДНК в составе биологических объектов // Журнал всесоюзного химического общества им. Менделеева. - 1975. - Т. XX. - 259270.

57. Tao Wu, Xiao-Peng Zhang, Cheng-Hui Li, Petr Bour, Yi-Zhi Li, Xiao-Zeng You. Vibrational and Electronic Circular Dichroism Monitoring of Copper (II) Coordination with a Chiral Ligand // Chirality. - 2012. - Т. 24. - № 6. - 451-458.

58. Э.В.Фрисман, Л.В.Щагина, В.И.Воробьев. Стеклянный ротационный вискозиметр // Коллоидный журнал. - 1965. - Т. 27. - № 1. - С. 130-133.

59. Hotze A.C.G., Chen Y., Hambley T.W., et al. // European Journal of Inorganic Chemistry - 2002. - С. 1035-1039.

60. Цветков В.Н., Эскин В.Е., Френкель С.Я. Структура макромолекул в растворе. -М: Наука. - 1964.

61. Под ред. Ю.С. Лазуркина. Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот. - М.: Наука. - 1967.

62. В.Н. Цветков. Двулучепреломление в потоке и структура макромолекул // Успехи физических наук. - 1963. - Т. 81. - С. 51-118.

63. В.Е. Эскин. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул. - Л: Наука, Ленинградское отделение. - 1986.

64. Berne B. J., Pecora R. Dynamic light scattering: with applications to chemistry, biology, and physics. - New York, London, Sydney, Toronto. - John Wiley&Sons, Inc. - 2000.

65. Бакулев В. М., Ревегук З. В., Цюши Чжан, Касьяненко Н. А. Люминесценция комплексов DAPI-ДНК при разных ионных силах раствора // Вестник СПбГУ. - 2014. - Т. 4. -№ 1. - С. 491-497.

66. Topala Т., Bodoki A., Oprean L., Oprean R. Experimental techniques employed in the study of metal complexes-DNA - interactions // Farmacia. - 2014. - Т. 62. - № 6. - С. 1049-1061.

67. Foltinova V., Svihalkova Sindlerova L., Horvath V., Sova P., Hofmanova J. , Janisch R., Kozubik A. Mechanisms of effects of platinum (II) and (IV) complexes. Comparion of cisplatin and oxaliplatin with satraplatin and LA-12, new Pt(IV)-based drugs // Scripta Medica (Brno). - 2008. -Т. 81. - № 2. - С. 105-116.

68. Wolfe A., Shimer G. H. Jr., Meehan T. Polycyclic aromatic hydrocarbons physically intercalate into duplex regions of denatured DNA // Biochemistry. - 1987. - Т. 26. - № 20. - С. 63926396.

69. Zakrevskyy Y., Kopyshev A., Lomadze N., Morozova E., Lysyakova L., Kasyanenko N., Santer S. DNA compaction by azobenzene-containing surfactant // Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. - 2011. - Т. 84. - № 2 - С. 0219091 - 0219099.

70. Kasyanenko N., Lysyakova L., Ramazanov R., Titov E., Alexeev G., Lezov A., Unksov I., Nesterenko A., Yaroshevich I. Conformational and phase transitions in DNA — photosensitive surfactant solutions: experiment and modeling // Biopolymers. - 2015. - Т. 103. - № 2. - С. 109-122.

71. Unksov I. N., Kasyanenko N. A. Conformational changes in the DNA molecule in solution caused by the binding of a light-sensitive cationic surfactant // Journal of Structural Chemistry. - 2017. - Т. 58, № 2. - С. 413-419.

Благодарности

Выражаю благодарность за всеобъемлющее ведение меня от магистратуры через аспирантуру и до сего дня научному руководителю, профессору Нине Анатольевне Касьяненко, за помощь в проведении экспериментов Игорю Юрьевичу Перевязко, Петру Александровичу Соколову, Владимиру Михайловичу Бакулеву, Чжан Цюши и Валерию Ивановичу Роличу, а так же благодарю Татьяну Владимировну Серебрянскую, Елену Ивановну Федорос, Абдуррахмана Сенгюля (Abdurrakhman Sengul) и Светлану Сантер (Svetlana Santer) за препараты, любезно предоставленные для исследований.