Лаборатория процессов фотосенсибилизации

Заведующий лабораторией:д.х.н., профессор Кузьмин Владимир Александрович

Телефон отдела:—

Почта:—

Комната:—

Лаборатория процессов фотосенсибилизации была образована в ИХФ АН СССР в 1979 году в соответствии с Распоряжением Президиума АН СССР. С 1996 года лаборатория процессов фотосенсибилизации входит в состав Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН.

Основным направлением исследований лаборатории процессов фотосенсибилизации стало изучение механизма и кинетики быстропротекающих элементарных фотохимических процессов с участием молекул красителей и родственных соединений. Основным методом исследования спектрально-кинетических закономерностей сложных фотохимических процессов является метод импульсного фотолиза и кинетической спектроскопии. Методом импульсного фотолиза были исследованы механизм и кинетика элементарных стадий фотосенсибилизированных реакций переноса электрона, атома водорода, протона и переноса энер­гии с участием возбужденных состояний красителей и сложных органических молекул в гомогенных и структурно-организованных системах, а также в упорядоченных средах на границе раздела фаз. Для качественного и количественного описания эффекта сверхэффективного тушения люминесценции («супертушение») в растворах биомакромолекул разработана математическая модель микрофазного разделения. Подобный подход позволяет учитывать различия локальных концентраций флуорофора и тушителя в микрофазе, образованной субстратом биомакромолекул, и объемной фазе раствора.

Одним из важнейших направлений исследований, проводимых в лаборатории процессов фотосенсибилизации, являются исследования фотофизики и фотохимии цианиновых красителей в гомогенных и структурно-организованных системах, в том числе в составе комплексов с ДНК и белками. Был исследован процесс фотоизомеризации цианиновых красителей и установлена зависимость квантовых выходов фотоизомеризации от структурных особенностей молекул красителей и их комплексов с макромолекулами. Проводятся исследования фотохимических процессов нового класса цианиновых красителей с двумя сопряженными хромофорами.

Исследование зависимости реакционной способности цианиновых красителей и их короткоживущих интермедиатов от строения фотосенсибилизаторов и их комплексов с биомолекулами позволило определить влияние физических факторов на эффективность фотохимических процессов красителей в растворах и в комплексах с макромолекулами. Эти исследования имеют большое прикладное значение. На основе исследований переноса энергии в комплексах красителей с нуклеиновыми кислотами были установлены абсолютные концентрации внеклеточной ДНК в плазме крови больных сердечно-сосудистыми и различными аутоиммунными заболеваниями. Разработанные флуоресцентные методы определения внеклеточной ДНК и степени ее фрагментированности в сыворотке крови человека являются важными методами определения основных биохимических показателей контроля апоптоза и некроза при клинической диагностике многих патологических процессов в организме.

Проводятся исследования биофизических параметров комплексообразования био­макромолекул (ДНК, белков) и новых низкомолекулярных прототипов проти­воопухолевых лекарств. Исследования процессов комплексообразования производных порфиринов, хлоринов и бискарбоцианинов с молекулами альбумина имеют важное значение для понимания механизма фотосенсибилизированных процессов, происходящих в раковых клетках при фотодинамической терапии в онкологии, а также для разработки новых эффективных сенсибилизаторов для ФДТ. В лаборатории проводятся исследования механизма быстрых фотохимических процессов с участием сенсибилизаторов, применяемых при фотодинамической терапии рака. Исследуются механизмы фотосенсибилизированных процессов, интермедиатами в которых являются триплетные состояния красителей, активные формы кислорода (синглетный кислород, супероксид анион-радикал), ион-радикальные пары и окисленные и восстановленные радикальные формы красителей. Ведется разработка нового поколения фотосенсибилизаторов и флуорофоров для ближнего ИК диапазона.

В лаборатории проводятся исследования спектрально-кинетических характеристик наночастиц на основе самоорганизованных J-агрегатов анионных полиметиновых красителей и их комплексов. Изучение равновесий между димерами и J-агрегатами мезо-этилзамещенных тиатри­метинцианинов в водных растворах в зависимости от строения красителей и температуры показало, что существуют две J-агрегатные формы красителей, образование которых связано с существованием в растворе двух пространственных цис- и транс-изомеров красите­лей, равновесие между которыми определяется строением красителя и температурой.

Важную роль в работе лаборатории играют исследования взаимодействия малых молекул и наночастиц с молекулярно-организованными системами нуклеиновых кислот. Изучение механизмов комплексообразования низкомолекулярных лигандов с биомакромолекулами являются неотъемлемым аспектом разработки и исследования потенциала таргетных препаратов. Поведение лигандов в разбавленных растворах макромолекул критично отличается от их свойств в пространственно-организованных ансамблях биомолекул. In vivo ДНК в комплексе с другими макромолекулами плотно упакована в многоуровневую динамическую структуру, некоторые аспекты которой могут быть воспроизведены с помощью молекулярно-организованных модельных систем, в частности жидкокристаллических дисперсий ДНК. При взаимодействии с такими структурно-организованными ансамблями системами большое значение приобретают размерные, структурные особенности лигандов, а также строение их комплексов с ДНК. Особенный интерес представляют подобные исследования с использованием наночастиц, для которых закономерности проникновения внутрь клеточного ядра и внутриядерного распределения окончательно не определены.

В 2019 году в содружестве с отделом медицинский физики и лучевых технологий Федерального медицинского биофизического центра им. А.И. Бурназяна ФМБА России начаты исследования новых подходов к химической дозиметрии ионизирующих излучений. Широкие возможности спектрометрического комплекса лаборатории процессов фотосенсибилизации ИБХФ РАН и облучательского кластера ФМБЦ им. А.И. Бурназяна позволяют реализовать масштабный скрининг химических соединений для медицинской и промышленной дозиметрии ионизирующих излучений. Отдельным направлением является разработка и изучение радиомодифицирующего действия ряда химических соединений. Новые высокоэффективные радиосенсибилизаторы и радиопротектора имеют высокую значимость для широкого круга медицинских и прикладных задач.

В содружестве с кафедрой медицинской химии и тонкого органического синтеза Химического факультета МГУ проводится исследование механизма новой реакции смешанных фосфониево-иодониевых илидов с ацетиленами и нитрилами. Установлен радикальный механизм реакции и необычные зависимости выхода целевых гетероциклических соединений от условий проведения реакции. Эти исследования позволят оптимизировать условия синтеза важных гетероциклических соединений.

На основании изучения кинетики и механизма реакций активных короткоживущих интермедиатов, образующихся в фотохимических реакциях дигидрохинолинов в различных растворителях, была открыта неизвестная ранее для этих соединений реакция фотоиндуцированного присоединения растворителя к двойной связи, наблюдаемая в протонных растворителях. Установлены важная роль карбокатионов в этих реакциях и влияние растворителя на механизм фотопроцесса. Показано, что первичным фотохимиче­ским процессом при фотолизе дигидрохинолинов в протонных растворителях является перенос протона от растворителя на нерелаксированное возбужденное состояние дигидрохинолина, происходящее в фемтосекундном временном диапазоне.

В 2008 г в лаборатории процессов фотосенсибилизации впервые разработан новый фотосенсибилизатор класса замещенных фуродигидрохинолинов для применения в фототерапии аутоиммунных заболеваний: псориаза, витилиго, склеродермии и других. В 2017 г. окончен полный цикл токсикологических исследований, предусмотренный нормативами предклинических испытаний. Показано, что вновь разработанное соединение обладает высокой тропностью к лимфоцитам, благодаря чему обеспечивает возможность адресного воздействия на лимфоциты типа Th17, отвечающих за образование очагов псориатического повреждения кожи. Для этого могут использоваться стандартные источники ультрафиолетового излечения типа В, разработанные для PUVA-терапии. И использованием оригинальных тест-систем на основе ПЦР в реальном времени, позволяющих оценивать представленность в коже морских свинок транскриптов интерлейкинов 17 и 23f показано, что фототерапия с использованием нового соединения приводит к резкому снижению представленности в очагах псориатического поражения этих ключевых факторов, ответственных за гиперплазию и кератинизацию эпидермиса.

В дальнейшем в сотрудничестве с ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН в лаборатории процессов фотосенсибилизации была теоретически разработана, синтезирована и охарактеризована коллекция из 9 новых производных фуродигидрохинолина, среди которых имелись соединения с повышенной гидрофильностью, повышающей их биодоступность. Проведение предварительных испытаний специфической фармакологической активности экспериментальных образцов новых производных фуродигидрохинолина было выполнено на модели имиквимод-индуцированного псориаза у морских свинок с использованием в качестве образца сравнения препарата Аммифурин (Вилар, Россия). Оценка специфической фотоиндуцированной активности кандидатных соединений по показателям лимфотропности и способности подавлять инфильтрацию в дерму Th-17 лимфоцитов с применением ранее разработанных тест систем на основе гистологического и иммуногистохимического окрашивания, проточной цитофлуориметрии и ПЦР на транскрипты IL-17, IL-23f и рецепторы этих лимфокинов. Исследования фотобиологической активности новых производных замещенных производных фуродигидрохинолина на модели фотоиндуцируемой токсичности в отношении штамма E. coli с LUX-биосенсором. По результатам работ получен патент № 2018123743 от 29.06.2018 на изобретение «Применение N-(6,8,8-триметил-8,9-дигидрофуро[3,2-h]хинолин-5-ил)ацетамида в качестве средства для фототерапии псориаза и псориатического артрита».

Одним из новых направлений работы лаборатории процессов фотосенсибилизации, выполняемая совместно с лабораторией количественной онкологии ИБХФ РАН, Иркутским институтом органической химии им. А.Е. Фаворского РАН, кафедрой высокомолекулярных соединений Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Российским онкологическим научным центром имени Н.Н. Блохина МЗ РФ является разработка нового противоопухолевого препарата на основе полиакрилата золота, известного под названием аурумакрил. Препарат представляет собой продукт взаимодействия полиакриловой кислоты и золотохлористоводородной кислоты HAuCl4 в водном растворе. Исследования, проведенные in vivo на солидных опухолях мышей (карцинома лёгких Льюис, аденокарцинома толстой кишки Акатол, аденокарцинома молочной железы Са-755), выявили способность полиакрилата золота тормозить рост опухолей на 70 – 90% по сравнению с контролем. Полиакрилат золота рассматривается в настоящее время в качестве перспективного противоопухолевого средства и является объектом углубленного изучения. Впервые показано, что полиакрилат золота обладает высокой специфической активностью препарата не только в отношении клеток солидных опухолей, но и против клеток линий меланомы человека и мыши при существенно более низкой острой токсичности для мышей по сравнению цисплатином - наиболее близким по химическому составу из коммерчески применимых цитостатических препаратов, рекомендованных для применения в терапии меланом. Показано, что помимо специфической фармацевтической активности в качестве химиопрепарата в отношении солидных опухолей, аурумакрил показал способность выступать в качестве радиосенсибилизатора, потенциирующего противоопухолевую активность рентгеновского излечения.

В настоящее время в лаборатории 2 аспиранта работают над выполнением кандидатских диссертаций. Лаборатория активно сотрудничает с кафедрой медицинской химии тонкого органического синтеза Химического факультета МГУ и с кафедрой химии и технологии биологически активных соединений Института тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова - МИРЭА - Российского технологического университета. Ежегодно студенты выполняют бакалаврские и магистерские работы на базе лаборатории. В лаборатории имеется современное оборудование для исследования спектрально-кинетических характеристик короткоживущих промежуточных частиц химических и фотохимических процессов: установка остановленной струи (SX20 Stopped Flow Spectrometer, Applied Photophysics), установки импульсного фотолиза с временным разрешением 5 нс (LKS80 spectrometer, Applied Photophysics) и 10 мкс, спектрофотометры (Shimadzu 3101PC, СФ-2000), спектрофлуориметры (PicoQuant FluoTime 300; Панорама), спектрометр кругового дихроизма (дихрометр СКД-2М, Россия)

Научные исследования, проводимые в лаборатории, поддерживаются грантами РНФ, РФФИ, Министерства образования и науки РФ. Лаборатория процессов фотосенсибилизации ИБХФ РАН проводит совместные исследования с различными лабораториями Института, учреждениями Российской академии наук: ИОХ РАН, ИНЭОС РАН, ИМБ РАН, ИХФ РАН, ИПХФ РАН. Результаты работ, полученные сотрудниками лаборатории, неоднократно докладывались на Российских и международных конференциях по фотохимии, химии активных интермедиатов, химии порфиринов.