СИНТЕЗ  ПРОИЗВОДНЫХ  ПРИРОДНЫХ  ХЛОРИНОВ  С  ОСТАТКОМ   b-ГАЛАКТОЗЫ  МЕТОДОМ  КРОСС-МЕТАТЕЗИСА  ОЛЕФИНОВ

Лонин  Иван  Сергеевич

  к.  х.  н.,  н.с.  ИФХЭ  РАН,  г.  Москва

Е-mail:  lonin@chlorin.ru

Грин  Михаил  Александрович

д.х.н.,  доцент  МИТХТ,  г.  Москва

Е-mail: 

Миронов  Андрей  Федорович

д.х.н.,  профессор  МИТХТ,  г.  Москва

Е-mail:  htbas@mitht.ru

Данная  работа  выполнена  при  финансовой  поддержке  гранта  Президента  Российской  Федерации  для  государственной  поддержки  молодых  российских  ученых  -  кандидатов  наук  МК-2016.2011.3

Фотодинамическая  терапия  (ФДТ)  рака  является  новым  неинвазивным  способом  лечения  злокачественных  новообразований  в  котором  два  раздельно  введенных  нетоксичных  агента  -  фотосенсибилизатор  (ФС)  и  лазерное  излучение  -  при  встрече  в  клетке-мишени  генерируют  цитотоксические  вещества,  приводящие  к  разрушению  жизненно  важных  структур  раковых  клеток  и  их  гибели  [2,  5,  12].

В  последнее  время  особое  внимание  привлекают  ФС  на  основе  производных  природных  хлорофиллов,  поскольку  их  терапевтическое  окно  поглощения  в  области  660  -  800  нм  открывает  новые  возможности  для  диагностики  и  лечения  злокачественных  новообразований  [3,  4,  14].

Дальнейшее  увеличение  эффективности  ФДТ  возможно  за  счет  создания  таргетных  ФС  с  лигандами,  для  которых  имеются  специфические  рецепторы  на  поверхности  опухолевых  клеток  [13,  18,  20].  Известно,  что  раковые  клетки  обладают  высокой  экспрессией  галектинов  –  белков,  имеющих  углевод-узнающий  домен  с  высокой  аффинностью  к  β-галактозидам  [6,  11,  23].  Показано,  что  присоединение  галактозы  и  лактозы  к  порфиринам  и  их  аналогам  обеспечивает  специфическое  взаимодействие  конъюгатов  с  галектинами  клетки  [7,  15-17,  21,  22].

В  настоящей  работе  нами  реализован  метод  синтеза  гликоконъюгатов  в  ряду  производных  Хл  а,  основанный  на  реакции  кросс-метатезиса  алкенов,  которая  заключается  в  перераспределении  алкилиденовых  групп  между  двумя  олефинами  в  присутствии  карбеноидных  комплексов  металлов. 

Наличие  винильной  группы  в  пиррольном  кольце  А  макроцикла  упрощает  получение  гликозилированных  хлоринов  с  использованием  данной  реакции.  Ранее  было  показано,  что  b-винильная  группа  в  порфиринах  и  хлоринах  участвует  в  реакции  кросс-метатезиса  с  различными  типами  алкенов  в  присутствии  рутениевого  катализатора  Граббса  второго  поколения  [8,  9,  19].

Данный  катализатор  4  нами  был  использован  в  настоящей  работе  для  получения  гликоконъюгатов  на  основе  триметилового  эфира  хлорина  е₆  1  и  метилового  эфира  N-меткосипрпуринимида  2  [10],  которые  вводили  в  реакцию  сочетания  с  тетраацетатом  аллил-β-D-галактопиранозида  3,  синтезированным  по  известной  методике  гликозилирования  аллилового  спирта  (схема  1)  [21]. 

Схема  1.  Кросс-метатезис  природных  винилхлоринов  и  аллил-β-D-

Кросс-метатезис  между  хлорином  1  и  галактозидом  3  с  использованием  5  мольных  %  катализатора  Граббса  второго  поколения  4  приводил  лишь  к  незначительной  конверсии  реагентов  с  выходом  целевого  галактозилхлорина  5,  не  превышающим  5%.  Изучение  данного  взаимодействия  показало,  что  оптимальными  условиями  проведения  реакции  являются  кипячение  хлорина  1  с  аллилгалактозидом  3  в  хлористом  метилене  в  течение  16  часов  в  присутствии  25  мол.  %  катализатора  4.  Выход  гликоконъюгата  5  в  данных  условиях  составил  40%.  Данное  взаимодействие  протекает  стереоселективно  с  образованием  двойной  связи  Е-  конфигурации  и  характеризуется  отсутствием  побочных  продуктов,  что  упрощает  хроматографическую  очистку  целевого  продукта  и  позволяет  регенерировать  исходный  хлорин  1  для  повторного  использования.

Наблюдаемый  невысокий  выход  может  быть  объяснен  низкой  скоростью  реакции  винилхлорина  1  по  отношению  к  катализатору  4  из-за  стерических  препятствий,  создаваемых  макроциклом.  Как  следствие,  предпочтительным  является  быстрый  селф-метатезис  высокореакционного  терминального  алкена  аллильного  типа  3.  Данный  процесс,  по-видимому,  является  доминирующим  в  каталитическом  цикле  реакции.  Таким  образом,  вероятность  продуктивного  кросс-метатезиса  хлорина  1  и  аллилгалактозида  3  может  быть  увеличена  за  счет  повышения  загрузки  катализатора.  Описанные  выше  условия  реакции  для  получения  гликозилированного  хлорина  e₆  оказались  мало  эффективными  в  случае  пурпуринимида  2  и  целевой  конъюгат  не  был  получен.  Данный  факт  может  быть  объяснен  помимо  стерических  препятствий  также  неблагоприятными  электронными  факторами.  Имидный  цикл,  сопряженный  с  основным  макроциклом,  обладая  электроноакцепторными  свойствами,  снижает  электронную  плотность  на  винильной  группе  в  3-м  положении,  еще  больше  уменьшая  ее  реакционную  способность  в  реакции  кросс-метатезиса.  Наблюдаемая  нами  низкая  реакционная  способность  винилхлоринов  согласуется  с  ранее  представленными  в  литературе  данными  [9].  

Другим  местом  связывания  хлоринового  макроцикла  с  остатком  углевода  служила  аллильная  группа  в  пиррольном  кольце  С  соединения  8,  которую  вводили  путем  раскрытия  экзоцикла  Е  мезофеофорбида  6  под  действием  аллиламина  (схема  2).  Гидрирование  винильной  группы  в  пиррольном  кольце  А  метилфеофорбида  до  этильной  диктовалось  необходимостью  региоселективного  введения  углеводного  фрагмента  в  положение  13  макроцикла.  Взаимодействие  аллиламида  8  с  тетраацетатом  аллил-β-D-галактопиранозида  3  в  соотношении  1:5  в  присутствии  5  мол.  %  катализатора  Граббса  в  течение  4  часов  давало  конъюгат  10  с  высоким  выходом.  Избыток  одного  из  реагентов  необходим  для  смещения  равновесия  в  сторону  образования  продукта  реакции,  так  как  из  литературы  известно,  что  аллильные  производные  в  условиях  реакции  кросс-метатезиса  могут  образовывать  гомодимеры  [1].  Следует  отметить,  что  в  данном  случае  реакция  протекала  с  меньшей  стереоселективностью  по  сравнению  с  винильной  группой  в  пиррольном  цикле  А,  и  наблюдалось  образование  двух  изомеров  E/Z  соединения  10  с  соотношением  5:1  (по  данным  ЯМР)  с  общим  выходом  80%.  Нам  удалось  разделить  изомеры  с  помощью  препаративной  тонкослойной  хроматографии  и  выделить  основной  продукт  (Е-изомер),  обладающий  меньшей  хроматографической  подвижностью.  

Высокий  выход  целевого  гликоконъюгата  11  был  достигнут  в  аналогичной  реакции  кросс-метатезиса  пурпуринимида  9  с  тетраацетатом  аллил-β-D-галактопиранозида  3.  При  этом  соотношение  E/Z-изомеров  конъюгата  11  составило  6:1,  а  основной  Е-изомер  был  выделен  с  выходом  62%.  Таким  образом  нами  показано,  что  эффективность  реакции  кросс-метатезиса  зависит  от  положения  терминальной  двойной  связи  в  макроцикле  и  ее  удаленности  от  него.

Удаление  защитных  ацетильных  групп  в  соединениях  5,  10  и  11  под  действием  метоксида  натрия  в  системе  MeOH/CH₂Cl₂  приводило  к  соответствующим  гликоконъюгатам  с  выходами  75–85  %.  В  настоящее  время  полученные  гликохлорины  проходят  биологические  испытания  с  целью  выбора  лидерного  соединения  для  создания  таргетного  ФС  для  ФДТ  рака.  

Схема  2.  Кросс-метатезис  аллильных  производных  природных  хлоринов  в  синтезе  гликоконъюгатов  в  ряду  хлорофилла  а.

Список  литературы:

1.Chatterjee  A.  K.,  Choi  T.  L.,  Sanders  D.  P.,  Grubbs  R.  H.  A  General  Model  for  Selectivity  in  Olefin  Cross  Metathesis  //  J.  Am.  Chem.  Soc.  2003.  Т.  125.  С.  11360-11370.

2.Chen  Y.,  Ethirajan  M.,  Joshi  P.,  Pandey  R.  K.  The  role  of  porphyrin  chemistry  in  tumor  imaging  and  photodynamic  therapy  //  Chem.  Soc.  Rev.  2011.  Т.  40.  С.  340–362.  

3.Grin  M.  A.,  Mironov  A.  F.  Synthetic  and  nature  bacteriochlorins:  Synthesis,  perspective  and  applications  /  Chemical  processes  with  participation  of  biological  and  related  compounds.  Boston.:  BRILL.  Lieden,  2008.  С.  5-41.

4.Grin  M.  A.,  Mironov  A.  F.,  Shtil  A.  A.  Bacteriochlorophyll  a  and  its  derivatives:  chemistry  and  perspectives  for  cancer  therapy  //  Anti-Cancer  Agents  in  Medicinal  Chemistry.  2008.  Т.  8.  №  6.  С.  683-697.

5.Kadish  K.  M.,  Smith  K.  M.,  Guilard  R.  The  Porphyrin  Handbook.  N.  Y.:  Acad.  Press,  2000.  Т.  6,  346  c.

6.Lahm  H.,  Andre  S.,  Hoeflich  A.,  Kaltner  H.,  Siebert  H.  C.,  Sordat  B.,  Lieth  C.  W.,  Wolf  E.,  Gabius  H.  J.  Tumor  galectinology:  Insights  into  the  complex  network  of  a  family  of  endogenous  lectins  //  Glycoconjugate  Journal.  2004.  Т.  20.  С.  227–238.

7.Li  G.,  Pandey  S.  K.,  Graham  A.,  Dobhal  M.  P.,  Mehta  R.,  Chen  Y.,  Gryshuk  A.,  Rittenhouse-Olson  K.,  Oseroff  A.,  Pandey  R.  K.  Functionalization  of  OEP-based  benzochlorins  to  develop  carbohydrate-conjugated  photosensitizers.  Attempt  to  target  b-galactoside-recognized  proteins  //  J.  Org.  Chem.  2004.  Т.  69.  С.  158–172.

8.Liu  X.,  Sternberg  E.,  Dolphin  D.  Cross-metathesis  reactions  of  vinyl-chlorins  and  -porphyrins  catalyzed  by  a  “second  generation”  Grubbs’  catalyst  //  Chem.  Commun.  2004.  С.  852–853.

9.Liu  X.,  Sternberg  E.,  Dolphin  D.  Cross-Metathesis  of  the  Vinyl  Group  on  Tetrapyrrolic  Macrocycles:  Reactivity,  Selectivity,  and  Mechanism.  J.  Org.  Chem.  2008.  Т.  73.  С.  6542–6550.

10.Mironov  A.  F.,  Lebedeva  V.  S.  Cyclic  N-hydroxyimides  in  a  series  of  chlorins  and  porphyrins  //  Tetrahedron  Letters.  1998.  Т.  39.  №  8.  С.  905–908.

11.Mody  R.,  Joshi  S.,  Chaney  W.  Use  of  Lectins  as  Diagnostic  and  Therapeutic  Tools  for  Cancer  //  Journal  of  Pharmacological  and  Toxicological  Methods.  1995.  Т.  33.  С.  l–10.

12.Nyman  E.  S.,  Hynninen  P.  H.  Research  advances  in  the  use  of  tetrapyrrolic  photosensitizers  for  photodynamic  therapy  //  J.  Photochem.  Photobiol.  B.  2004.  Т.  73.  С.  1–28.

13.Olivo  M.,  Bhuvaneswari  R.,  Lucky  S.  S.,  Dendukuri  N.,  Soo-Ping  Thong  P.  Targeted  Therapy  of  Cancer  Using  Photodynamic  Therapy  in  Combination  with  Multi-faceted  Anti-Tumor  Modalities  //  Pharmaceuticals.  2010.  Т.  3.  С.  1507–1529.  

14.Pandey  R.  K.,  Goswami  L.  N.,  Chen  Y.,  Gryshuk  A.,  Missert  J.  R.,  Oseroff  A.,  Dougherty  T.  J.  Nature:  A  rich  source  for  developing  multifunctional  agents.  Tumor-imaging  and  photodynamic  therapy  //  Lasers  in  Surgery  and  Medicine.  2006.  Т.  38.  С.  445–467.

15.Park  Y.  K.,  Bold  B.,  Cui  B.C,  Bai  J.  Q.,  Lee  W.,  Shim  Y.  K.  Binding  Affinities  of  Carbohydrate-Conjugated  Chlorins  for  Galectin-3.  //  Bull.  Korean  Chem.  Soc.  2008.  V.  29.  №  1.  С.  130-134.

16.Pandey  S.  K.,  Sajjad  M.,  Chen  Y.,  Zheng  X.,  Yao  R.,.  Missert  J.  R,  Batt  C.,  Nabi  H.  A.,  Oseroff  A.  R.,  Pandey  R.  K.  Comparative  Positron-Emission  Tomography  (PET)  Imaging  and  Phototherapeutic  Potential  of  ¹²⁴I-  Labeled  Methyl-  3-(1′-iodobenzyloxyethyl)pyropheophorbide-a  vs  the  Corresponding  Glucose  and  Galactose  Conjugates  //  J.  Med.  Chem.  2009.  Т.  52,  С.  445–455..

17.Pandey  S.  K.,  Zheng  X.,  Morgan  J.,.  Missert  J.  R,  Liu  T.  H.,  Shibata  M.,  Bellnier  D.  A.,  Oseroff  A.  R.,  Henderson  B.  W.,  Dougherty  T.  J.,  Pandey  R.  K.  Purpurinimide  carbohydrate  conjugates:  Effect  of  the  position  of  the  carbohydrate  moiety  in  photosensitizing  efficacy  //  Molecular  Pharmaceutics.  2007.  Т.  4,  №  3.  С.  448–464.

18.Sharman  W.  M.,  Lier  J.  E.,  Allen  C.  M.  Targeted  photodynamic  therapy  via  receptor  mediated  delivery  systems  //  Advanced  Drug  Delivery  Reviews.  2004.  Т.  56.  С.  53–76

19.Silva  F.  C.,  Ferreira  V.  F.,  Souza  M.  C.  B.  V.,  Tomé  A.  C.,  Neves  M.  G.  P.  M  S.,  Silva  A.  M.  S,  Cavaleiro  J.  A.  S.  Synthesis  of  Glycoporphyrins  by  Cross-Metathesis  Reactions  //  SYNLETT.  2008.  №.  8.  С.  1205–1207.

20.Wojtyk  J.T.C.,  Goyan  R.,  Gudgin-Dickson  E.,  Pottier  R.  Exploiting  tumour  biology  to  develop  novel  drug  delivery  strategies  for  PDT  //  Medical  Laser  Application.  2006.  Т.  21.  С.  225–238.

21.Zheng  G.,  Graham  A.,  Shibata  M.,  Missert  J.  R.,  Oseroff  A.  R.,  Dougherty  T.  J.,  Pandey  R.  K.  Synthesis  of  b-galactose-conjugated  chlorins  derived  by  enyne  metathesis  as  galactin-specific  photosensitizers  for  photodynamic  therapy  //  J.  Org.  Chem.  2001.  Т.  66.  С.  8709–8716.

22.Zheng  X.,  Morgan  J.,  Pandey  S.  K.,  Chen  Y.,  Tracy  E.,  Baumann  H.,  Missert  J.  R.,  Batt  C.,  Jackson  J.,  Bellnier  D.  A.,  Henderson  B.  W.,  Pandey  R.  K.  Conjugation  of  2-(1`-hexyloxyethyl)-2-devinylpyropheophorbide-a  (HPPH)  to  carbohydrates  changes  its  subcellular  distribution  and  enhances  photodynamic  activity  in  vivo  //  J.  Med.  Chem.  2009.  Т.  52.  С.  4306–4318.

23.Zheng  X.,  Pandey  R.  K.  Porphyrin-carbohydrate  conjugates:  impact  of  carbohydrate  moieties  in  photodynamic  therapy  (PDT)  //  Anti-Cancer  Agents  in  Medicinal  Chemistry.  2008.  Т.  8.  С.  241-268.