Научно-исследовательская лаборатория органического синтеза и ЯМР-спектроскопии

Адрес: Руководитель –

Объявления и события Инжиниринговый центр

Научно-исследовательская лаборатория органического синтеза и ЯМР-спектроскопии была создана в сентябре 2013 года как НИЛ ЯМР-спектроскопии биомолекул. С июня 2015 года в связи с приходом в лабораторию кандидата химических наук Папонова Бориса Владимировича перечень направлений научной деятельности лаборатории расширился и стал включать исследования в области синтеза инновационных фармацевтических субстанций.

Основные направления деятельности и проекты лаборатории в области синтеза фармацевтических субстанций, биологически активных соединений и красителей (ответственный – с.н.с. Папонов Б.В.)

Основное научное направление работы лаборатории лежит в области проектирования, синтеза и идентификации синтетических и модификации природных соединений с заданными свойствами. Прежде всего, это поиск соединений с заданными видами (профилем) биологических активностей и красителей с заданными спектрально-люминесцентными свойствами (в том числе клеточных красителей).

Лаборатория ведет работы в области решения следующих научных и научно-практических задач:

Основная научная задача заключается в разработке оригинальных низкомолекулярных лигандов к биомишеням, в том числе ингибиторов протеинкиназ, для лечения ряда онкологических, нейродегенеративных, воспалительных и аутоиммунных заболеваний. Основной акцент здесь делается на соединения, влияющие на пролиферацию, дифференциацию и трансформацию клеток, включая различные виды стволовых клеток, в том числе и раковых стволовых клеток. При этом, внимание уделяется, как высокоселективным, так и мультитаргетным ингибиторам протеинкиназ. Мишень – АТФ-связывающий сайт.

Интересным аспектом этой темы является создание синтетических миметиков таких природных биологически-активных веществ, как индирубины, паулоны, мериолины, вариолины и т.д.

Другой приоритетной мишенью для нас являются имидазолиновые рецепторы. Здесь задачей является проектирование и синтез низкомолекулярных соединений, как эффективных сахароснижающих препаратов, по отношению к диабету 2-го типа.

Для решения этих задач мы применяем для проектирования:

• а) Применение методов биоинформатики, методов регуляторных генных сетей клеточного цикла для идентификации новых биомишеней и их комбинаций, в целях создания инновационных биологически активных соединений и поиска оптимальных комбинаций разрешенных к применению препаратов с новыми активностями.
• б) Целенаправленный скрининг в базах данных и базах знаний на основе современных методов биоинформатики фармакологических соединений и их комбинаций, которые были испытаны in vitro, in vivo или уже разрешены к применению с новыми потенциальными биологическими активностями.

для синтеза:

• а) Предпочтение отдается максимально просто осуществляемым реакциям (на уровне клик-процедуры) и реакциям поликомпонентных конденсаций, которые позволяют легко формировать конденсированные гетероциклические системы (как правило, из группы Privileged Heterocycles), содержащие необходимые заместители в соответствующих положениях гетероциклического скаффолда.
• б) Осуществление синтеза целевых соединений может проводится с использованием современных технологий, в том числе синтеза в условиях микроволнового и ультразвукового облучения, а также методов «зеленой химии».

Основная научно-практическая задача – это разработка новых эффективных методов синтеза лекарственных средств, красителей и других соединений.

• а) Наиболее практически реализуемое направление. Разработка технологии и синтез субстанций (дженериковых препаратов) для производства готовых лекарственных средств. К примеру, существует Распоряжение Правительства РФ об импортозамещении стратегически значимых лекарственных средств. Коллективу лаборатории доступен синтез большинства из них.
  В настоящее время сотрудники лаборатории ведут несколько проектов по разработке методологий и технологий синтеза дженериковых препаратов для ряда российских фармкомпаний. Еще несколько препаратов находятся на стадии обсуждения.
  У сотрудников лаборатории есть опыт синтеза таких противораковых дженериковых препаратов, как иматиниб и сунитиниб.
  Разработка новых эффективных технологий синтеза известных химических соединений и модификация существующих технологий подразумевает снижение себестоимости продуктов и повышение экологичности процессов. Осуществление синтеза этих соединений может проводится, по требованию заказчика, с использованием методов микроволновой и ультразвуковой активации химических реакций.
• б) Более трудоемкое, но более интересное направление – это проектирование и синтез молекул аналогов наиболее эффективных патентованных лекарственных препаратов (обход патентов), а также поиск новых терапевтических свойств уже известных и разрешенных в клинике лекарственных препаратов. Также нам интересны работы в области оптимизации свойств известных лекарственных препаратов относительно их биомишеней и разработка новых молекул-аналогов известных лекарственных препаратов, не защищенных патентами.
• в) Собственные разработки новых, непатентованных молекул. Это отдельная, неподъемная для большинства наших фармкомпаний тема. Здесь основная сложность, это отсутствие возможностей для проведения предклинических и клинических исследований для нших соединений.
• г) Кроме того мы можем осуществить оптимизацию методологии синтеза органических соединений из класса низкомолекулярных гетероциклических соединений в контексте разработок, ведущихся заказчиком. Предпочтение отдается блокам для лекарственных субстанций и красителям различного назначения, в том числе флуоресцентным.

Основные направления деятельности и проекты лаборатории в области исследования комплексообразования биологически активных соединений с биорецепторами (ответственный – в.н.с. Евстигнеев М.П.)

Одним из направлений, разрабатываемых научно-исследовательской лабораторией органического синтеза и ЯМР-спектроскопии является изучение структуры комплексов и термодинамики так называемого сиквенс-специфического интеркаляционного связывания биологически активных соединений с биорецепторами, в частности, с ДНК. Данное направление сформировалось вокруг попытки объяснения эффекта изменения биологической активности ДНК-связывающихся ароматических соединений при введении в организм других ароматических веществ, например, кофеина, витамина B2 (рибофлавина), хлорофиллина и т.п.

Главной научной проблемой, на решение которой направлена деятельность ученых НИЛ ЯМР-спектроскопии, является выяснение механизмов биологического синергизма в многокомпонентных ДНК-содержащих системах. Основной рабочей гипотезой, выдвинутой коллективом лаборатории, является объяснение такого синергетического действия смеси препаратов с позиций учета всех типов нековалентных взаимодействий ароматических соединений как между собой, так и с ДНК. Основными видами таких взаимодействий являются самоассоциация ароматических соединений друг с другом (образование комплексов однотипных молекул), гетероассоциация (образование комплексов разнотипных молекул) и конкурентное связывания ароматических соединений с биорецептором, т.е. с ДНК.

В свою очередь, указанное генеральное направление научной деятельности лаборатории ЯМР-спектроскопии подразделяется на четыре основных поднаправления:

1. изучение энергетики процессов комплексообразования малых ароматических молекул (лигандов) с нуклеиновыми кислотами;
2. исследование структуры и термодинамики гетероассоциации ароматических биологически активных соединений;
3. построение теории интерцепторно-протекторного действия связывающихся с нуклеиновыми кислотами ароматических лигандов;
4. исследование гомо- и гетеродимерного связывания биологически активных соединений с нуклеиновыми кислотами.

Основным результатом деятельности работы лаборатории ЯМР-спектроскопии биомолекул является около двух десятков статей, опубликованных в ведущих мировых изданиях (журналах, имеющих достаточно высокий импакт-фактор), которые индексируются одновременно в двух международных наукометрических базах данных Scopus и Web of Science. Конечным продуктом деятельности лаборатории является новое научное знание о механизме синергетического взаимодействия противоопухолевых препаратов ДНК-направленного действия в комбинации с биологически активными соединениями ароматической природы. Теоретические разработки лягут в основу принципиально новых режимов комбинированной химиотерапии некоторых видов онкологических заболеваний с потенциально более высокой эффективностью подавления как лейкемии, так и твердотельных опухолей.

Мощным стимулом в плане достижения и перевыполнения показателей результативности для коллектива лаборатории послужил выигрыш гранта Российского научного фонда (РНФ) № 14-14-00328 «Создание научной основы нового режима комбинированной фуллереновой химиотерапии онкологических заболеваний препаратами ДНК-направленного действия», полученного в середине прошлого года и рассчитанного на период до 2016 года включительно. Руководителем этого проекта является ведущий научный сотрудник лаборатории доктор физико-математических наук, профессор Евстигнеев Максим Павлович. Получение этого гранта явилось закономерным продолжением работы, начатой еще в 2013 году.

Как следует из названия, краеугольным камнем проекта является применение хорошо известных, но на сегодняшний день недостаточно изученных с биологической точки зрения углеродных наночастиц сферической формы – фуллеренов C60. Не так давно был обнаружен уникальный набор медико-биологических свойств фуллерена C60, который позволяет использовать его в качестве потенциального элемента комбинированной терапии онкологических заболеваний. Исследования последних лет с участием коллектива лаборатории позволили выявить исключительно выраженное усиление противоопухолевого эффекта антибиотика доксорубицина в присутствии фуллерена C60 на in vitro и in vivo уровне.

Работы по гранту РНФ включают в себя две основные части: физико-химическую и медико-биологическую. В рамках физико-химической части планируется исследование взаимодействия водных коллоидных растворов фуллеренов C60 с различными биологически активными соединениями, включающее подробный структурно-термодинамический анализ процессов комплексообразования, создание математических моделей и аналитических подходов к изучению систем подобного рода. В рамках медико-биологической части будут изучены биологические эффекты фуллеренов и противоопухолевых препаратов в условиях ex vivo, приближенных к нативным (кровь больных лейкозом), что позволит получить объективные данные о механизмах взаимодействия препаратов, подобрать оптимальные условия для наблюдения синергизма и сформулировать стартовые условия для введения комбинаций препаратов в первую фазу испытаний на живых организмах. Справедливости ради следует сказать, что медико-биологическая часть проекта под чутким руководством доктора биологических наук, доцента Скоркиной Марины Юрьевны реализовывается силами преподавателей и студентов кафедры экологии, физиологии и биологической эволюции Института инженерных технологий и естественных наук.

Основным ожидаемым результатом проекта является понимание механизма биологического синергизма в системах Фуллерен-Препарат и, как следствие, создание методической основы нового более эффективного режима комбинированной фуллереновой химиотерапии некоторых онкозаболеваний. Данное направление в настоящий момент еще сохраняет признаки ноу-хау и содержит перспективу получения прорывного результата в направлении повышения эффективности современной химиотерапии онкозаболеваний. Успех в решении этой задачи, т.е. внедрение в клиническую практику нового режима комбинированной химиотерапии рака в перспективе ближайших лет, по оценкам наших ученых способно вызвать значительный социальный и экономический эффект как на национальном, так и на международном уровне, роль которого сложно переоценить.

Прочие направления деятельности лаборатории

Научно-исследовательская лаборатория ЯМР-спектроскопии биомолекул НИУ «БелГУ» оснащена современным оборудованием по изучению состава жидкостей, структуры растворенных веществ. Основу приборного парка лаборатории составляют спектрометр ядерного магнитного резонанса 400-MR производства фирмы Agilent (США, 2012 г.) и спектрометр ультрафиолетового и видимого диапазонов Specord 210 Plus (Германия, 2014 г.) с приставкой Пельтье для регулирования температуры внутри кюветы. Следует подчеркнуть, что ЯМР-спектрометр является единственным прибором исследовательского класса в Центрально-Черноземном регионе России (ближайшие лаборатории, укомплектованные аналогичными приборами, находятся на периферии Москва – Казань – Ростов-на-Дону).

Одним из видов деятельности НИЛ ЯМР-спектроскопии является физико-химическое исследование жидкостей, в частности, растворов биологически активных соединений. С помощью метода ядерного магнитного резонанса могут быть решены следующие задачи:

• определение компонентного состава жидкостей;
• исследование трансформации состава жидкостей во времени;
• изучение физико-химических аспектов процессов, протекающих в жидкой фазе, в том числе и в физиологических средах.

К достоинствам метода ЯМР следует отнести:

• неинвазивность (исследуемый образец не подвергается деструкции во время измерений в отличие от подавляющего большинства экспериментальных методов);
• высокая разрешающая способность;
• высокая скорость анализа;
• простота подготовки образца.

Метод ЯМР может быть применен для изучения качества молочной продукции. В этой связи можно выделить два направления прикладных исследований.

Направление 1 (экспресс-анализ смеси). Целью является определение качественного и количественного состава водных экстрактов молока при определении питательной ценности молока. В рамках данного направления могут быть решены следующие задачи:

• идентификация характерных компонентов экстракта (цитрат, лактат, фосфокреатин, аминокислоты, протеины и пр.);
• определение количественного соотношения компонентов (например, лактоза/протеины);
• идентификация наличия примесей;
• выявление отклонений, которые могут быть следствием патологий крупного рогатого скота, путем сравнения регистрируемых спектров с эталонными;
• определение качественной и количественной зависимости состава молока от диеты, сезона, метода обработки и др.

Процедура анализа проста и заключается в измерении спектров, последующем автоматическом статистическом анализе и формулированию выводов и рекомендаций. Средняя длительность одной такой процедуры составляет около 30 минут.

Направление 2 (полный анализ смеси). Целью является метаболическое профилирование молока, являющееся стратегически важной перспективой развития региональной и, в целом, российской животноводческой отрасли в части разведения крупного рогатого скота. Основной смысл достигаемых в этом направлении результатов сводится к выявлению патологий доноров молока через исследование их метаболизма путем сравнения спектров ядерного магнитного резонанса с эталонными спектрами молока от здоровых доноров. Помимо этого в рамках данного направления можно решить следующие задачи:

• изучение коагуляционных свойств молока;
• подсчет числа соматических клеток в молоке;
• полный контроль качества молока;
• классификация компонентов молока от различных доноров;
• идентификация степени старения молока;
• определение питательной ценности молока;
• идентификация патологического состояния доноров молока.

Необходимо отметить, что указанные направления прикладных научных исследований на сегодняшний день не являются приоритетными для НИЛ ЯМР-спектроскопии биомолекул. Сроки постановки методик на поточный анализ составляют 6-12 месяцев для направления 1 и 1-2 года для направления 2.

Информацию предоставил И.М.Зайцев 16.03.2018

Назад в раздел