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».

В рамках проведенной работы удалось достичь следующих научных результатов: Были разработаны и описаны методики синтеза модифицированных карбоцианинов с одной комплексообразующей группой. В качестве N-нуклеофила были введены ароматические аминокарбоновые кислоты: аминосалициловая и аминофталевая вместо атома хлора по мезо-положению полиметиновой цепи. При введении аминофталевой кислоты мы наблюдали сохранение максимума флуоресценции в области 800 нм, а при введении 5-аминосалициловой кислоты происходило тушение флуоресценции. Причиной тушения флуоресценции может являться наличие ОН-группы в бензольном кольце, сопряженном с π-системой трикарбоцианина. Для доказательства предположения тушения флуоресценции ОH-группы были синтезированы трикарбоцианины, модифицированные орто- и пара-аминофенолами. Амбидентные нуклеофилы – аминофенолы – вводили в структуру в качестве N нуклеофилов, исключая возможность образования фенолятов. Также был получен флуорофор, атом хлора которого был замещен на пара-аминобензойную кислоту. Исследование спектральных характеристик показало наличие лишь слабой флуоресценции только у соединения, содержащего ионогенную гидроксильную группу в орто-положении. Таким образом, введение аминофенолов, как N-нуклеофилов, показало, что наличие ОН-группы в бензольном кольце, находящемся в сопряжении с полиметиновой цепью, реализует механизм внутримолекулярного тушения флуоресценции. На следующем этапе аминофенол был использован для модификации карбоцианина в качестве О-нуклеофила. Нами были оптимизированы литературные методики и получены флуорофоры, замещенные пара- и мета-аминофенолами вместо атома хлора по мезо-положению, с бОльшими выходами. Для замещения орто-аминофенолом, в качестве О-нуклеофила был выбран альтернативный путь синтеза, поскольку в тех же условиях реакция не протекала. Карбоцианин, замещенный орто-аминофенолом был получен путем введения в реакцию BOC-защищенного аминофенола с последующим снятием защиты с флуорофора. Для создания нескольких центров связывания в структуру трикарбоцианина вводили две функциональные ионогенные группы. Для реализации синтеза такого карбоцианина был создан несимметричный флуорофор, где первым центром связывания выступала карбоксильная группа в ароматическом фрагменте гетероцикла, а вторым центром выступала ионогенная группа в введенном орто-аминофеноле. Таким образом, был разработан синтетический подход к флуорофорам с несколькими центрами, содержащими ионогенные группы. Было изучено влияние комбинации хелатирующих групп в заместителе, введенном в мезо-положение полиметиновой цепи. Для четырех соединений были исследованы изменения фотофизических характеристик флуорофоров при введении этих заместителей, а также их взаимодействие с солями металлов. Было установлено, что трикарбоцианин, содержащий фрагмент аминофталевой кислоты, имеет собственную флуоресценцию, при этом образование его комплекса с Cu2+ приводит к тушению флуоресценции. Соединение, содержащий фрагмент 5-аминосалициловой кислоты, не показало собственной флуоресценции, а также какого-либо аналитического отклика на введение в систему ионов Cu2+, Ni2+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Cd2+, Al3+, Cr7+, Mn2+, Fe3+ и Co2+ в видимой области спектра. Однако, при детекции ионов металлов в области 245 нм, было установлено, что для ионов Cr7+ и Fe3+ наблюдается аналитический отклик. Было установлено, что введение аминофенолов, в качестве N-нуклеофилов, в трикарбоцианины приводит к тушению флуоресценции. Добавление ионов металлов также не вызывает заметного аналитического отклика. Однако в присутствии некоторых модельных аналитов было обнаружено, что хелатный комплекс флуорофора, замещенного орто-аминофенолом, как N-нуклеофилом, с ионами Mn²⁺ вызывает разгорание флуоресценции. Автоокисление красителя, замещенного орто-аминофенолом, как N-нуклеофилом, в присутствии Mn (II) при рН 4.5 приводило к изменению цвета раствора из синего тона интактной полиметиновой цепи в желтые тона продуктов с более короткой цепью сопряжения. Большое разнообразие сигналов модельных аналитов позволяет рассматривать карбоцианин, замещенный орто-аминофенолом, как N-нуклеофилом, как перспективное соединение для распознавания объектов близкого состава (природных и сточных вод, продуктов питания, в диагностике патологий по сыворотке крови и т.д.). Было исследовано связывание карбоцианина, замещенного орто-аминофенолом, как N-нуклеофилом, с модельными соединениями в отсутствии металла. Полученные результаты показывают, что разные модельные аналиты по-разному влияют на сигнал флуорофора, замещенного орто-аминофенолом, как N-нуклеофилом, в присутствии металла и без него. Совместное использование этих двух систем будет обладать большей распознающей способностью по отношению к объектам, нежели отдельные системы. Таким образом, может быть создан сенсорный массив для распознавания объектов близкого состава, состоящий из двух элементов: краситель с металлом (Mn(II)) и краситель без металла. Таким образом, была разработана методика синтеза и очистки десяти трикарбоцианинов с комплексообразующими группами. Было показано, что наличие OH-группы в бензольном кольце, находящимся в сопряжении с флуорофором, вызывает внутримолекулярный процесс тушения флуоресценции. На примере карбоцианина с алкилсульфонатными заместителями при кватернизированных атомах азота был разработан синтетический подход к синтезу флуорофоров с несколькими центрами, содержащими ионогенные группы. Было изучено взаимодействие 4-х модифицированных карбоцианинов с одной комплексообразующей группой с ионами металлов и модельными аналитами. Было показано, что флуорофоры, модифицированные аминофталевой кислотой, могут быть использованы в качестве зонда для определения ионов Cu2+. Результаты исследования с модельными аналитами представляют интерес для целей распознавания модельных веществ и потенциально – объектов близкого состава. Таким образом, все выполненные исследования создали основу для решения основной задачи проекта – создание красителя, содержащего две комплексообразующих группы для дитопного связывания модельных аналитов, что планируется выполнить в следующем году.