Поможем другим наукам
В предыдущих главах мы рассмотрели яркие достижения химии: получение необычных соединений, создание полезных катализаторов, открытие новых реакций и многое другое. Реальную пользу от этих работ мы каждый раз обсуждали, тем не менее все перечисленное относится к созданию и развитию самой химической науки. А может ли химик решать конкретную задачу, пришедшую из другой области? Познакомимся с некоторыми примерами.
Наступление с разных сторон
Наступать можно в любом направлении,
ведь не так и важно: сойдешься ли ты
с противником лоб в лоб или ударишь с тыла.
Решение многих сложных задач неизбежно приводит к объединению различных научных дисциплин. Например, одна важная медицинская проблема свела воедино усилия медиков и химиков.
Как всегда, помог случай
В 1965 г. американский биохимик Барнетт Розенберг изучал влияние слабого электрического тока на рост бактерий. При этом он неожиданно обнаружил, что клетки бактерий перестали делиться. Вначале Розенберг предположил, что это результат воздействия тока, но при более внимательном изучении выяснилось следующее: ток подводился по платиновым электродам, которые считаются инертными, однако в изучаемой среде появились соединения платины, которые взаимодействовали с веществом клетки. Именно они и тормозили рост бактерий. Розенберг начал исследовать биологическую активность различных соединений платины, и выяснилось, что особенно эффективно действует комплексное соединение платины с аммиаком цис-[Pt(NH3)2Cl2].
Структура комплекса представляет собой плоский квадрат с металлом в центре, при этом возможны два варианта (рис. 8.1): в цис-структуре атомы хлора (и молекулы аммиака) занимают соседние углы квадрата (от лат. cis – по эту сторону), в транс-структуре одноименные атомы расположены по диагонали (от лат. trans – через, за).
Испытания на мышах показали высокую противоопухолевую активность цис-изомера, и с начала 1980-х гг. под названием «цисплатин» его стали использовать в клинической практике для лечения многих видов раковых заболеваний. Интересно, что транс-изомер противораковой активностью не обладает.
Действие цисплатина при лечении онкологических заболеваний основано на том, что препарат попадает внутрь раковой клетки и ион металла связывается с двумя цепями молекулы ДНК, это приводит к появлению межмолекулярного мостика (рис. 8.2).
В результате останавливается процесс копирования ДНК, блокируется синтез патологических белков и возникновение новых клеток тормозится.
Одно из возможных объяснений того, что транс-изомер комплекса платины (транс-[Pt(NH3)2Cl2]) противораковой активностью не обладает, состоит в следующем: длина образующегося в этом случае связывающего «мостика» слишком велика, и он оказывается менее стабильным.
Медицинская практика установила, что цисплатин обладает недостатками: прежде всего, до 90 % введенного препарата связывается с белками, и лишь незначительная часть доходит до ДНК в ядре патологической клетки, которую необходимо разрушить. Кроме того, длительная терапия цисплатином приводит к побочным эффектам – нарушению работы почек и некоторым неврологическим патологиям.
На сцену выходят π-комплексы металлов
Поскольку у цисплатина есть недостатки, начали поиск более эффективных соединений. В первую очередь исследователи обратились к циклопентадиенильным комплексам металлов, наиболее подробно были изучены в качестве лекарственных препаратов производные дихлорида титаноцена (С5Н5)2TiCl2, а также производные ферроцена (C5H5)2Fe. Это так называемые π-комплексы, в которых атом переходного металла координационно связан с циклическими молекулами (лигандами), обычно расположенными в двух параллельных плоскостях, между которыми находится атом металла.
Оказалось, что многие соединения такого типа заметно тормозят рост опухолевых клеток, однако они так и не были рекомендованы для клинического использования из-за малой растворимости в водных средах и неустойчивости к гидролизу.
В начале 1990-х гг. была обнаружена высокая противоопухолевая активность комплексов рутения с бензольными лигандами и атомами хлора. Вновь напомним, что лигандами называют нейтральные молекулы или ионы, которые координационно связаны с центральным атомом металла (рис. 8.3).
Такие соединения в зависимости от природы лигандов способны избирательно связываться с ДНК или белками опухолевых клеток. Взаимодействие происходит так же, как и в случае платины: атомы Cl или другие реакционные группы комплекса замещаются на активные группы биологических молекул – белков или ДНК. Кроме того, оказалось, что соединения рутения способны подавлять распространение раковых клеток по организму (метастазы).
Многочисленные исследования комплексов рутения и обнаруженная их эффективность постепенно привели к тому, что некоторые авторы стали рассматривать эти соединения в качестве будущей замены препаратов на основе платины. К сожалению, противоопухолевая активность большинства рутениевых комплексов изучена лишь в лабораторных опытах на колониях клеток и потому оценить их реальное фармакологическое действие и эффективность в борьбе с метастазами пока затруднительно.
В 2012 г. группой австралийских ученых было обнаружено, что комплекс рутения, содержащий циклопентадиенильный и нафталиновый лиганд [(C5Me5)Ru(C10H8)]+, обладает заметной антираковой активностью (рис. 8.4). Факт несколько неожиданный, поскольку такой комплекс не содержит групп, которые способны связываться с группами ДНК и белков. Положительный заряд этого комплекса является преимуществом, поскольку, в отличие от здоровых клеток, липидная оболочка опухолевых клеток имеет повышенный отрицательный заряд, который должен притягивать катионный комплекс. Кроме того, комплекс имеет ионное строение, это обеспечивает растворимость соединения в воде – основной «реакционной среде» всех живых организмов.
Соединить металлокомплекс с аминокислотой
Итак, нафталиновый комплекс рутения не содержит групп, которые способны связываться с группами ДНК и белков. Этот недостаток решил устранить российский химик Д.С. Перекалин (рис. 8.5), причем он поставил перед собой более трудную задачу – не только ввести функциональные группы, но и облегчить проникновение будущего лекарства во внутриклеточное пространство.
С этой целью он запланировал присоединять к комплексу различные аминокислоты, т. е. составные части белковых молекул. С помощью трехстадийного синтеза ему это удалось, но, поскольку заранее не было известно, какая именно аминокислота окажется наиболее эффективной, он получил набор из четырех комплексов, содержащих различные аминокислоты, причем только те, которые встречаются в живых организмах, – аланин, метионин, фенилаланин и триптофан.
Вначале он синтезировал катионный π-комплекс из RuCl3, нафталина и замещенного циклопентадиена (рис. 8.6, соединение I). Затем окислял циклопентадиенильный лиганд, при этом в нем образуется ОН-группа. Она представляет собой реакционную точку и позволяет на последующих стадиях присоединить аминокислоту (соединение II). К этой реакционной точке присоединяли поочередно одну из четырех аминокислот: аланин, метионин, фенилаланин и триптофан.
Затем была проверена антираковая активность полученных соединений. Кратко упомянем методику испытаний. Были использованы классические индикаторные тесты, они основаны на способности специального индикатора изменять цвет от светло-желтого до фиолетового при действии живых клеток. За изменением окраски следили с помощью спектрофотометра, который позволяет количественно оценить интенсивность окрашенного раствора. При действии вводимого антиракового препарата часть клеток погибает и интенсивность фиолетовой окраски снижается, что количественно характеризует долю разрушенных клеток.
Полученные результаты показали, что противоопухолевая активность полученных рутенийсодержащих соединений в некоторых случаях превосходит цисплатин, но это был лишь первый шаг в работе.
Современный аппарат органической химии дал возможность несколько скорректировать строение полученных соединений для улучшения их фармакологических свойств. Автор сосредоточил внимание на важном параметре – стабильности получаемых препаратов в биологических средах. Дело в том, что все показанные выше соединения имеют «слабое место» – атом О. Именно в этом месте начинается гидролиз соединения, введенного в клетку, в результате «целебная» часть – рутениевый комплекс – отщепляется от «путеводителя» – аминокислоты. Поэтому автор работы решил заменить сложноэфирную группировку – C–O–C(O)–, которая связывает комплекс с аминокислотой, амидным фрагментом – С(О) – N–, более устойчивым к гидролизу. Задача оказалась непростой, однако знание органической химии, находчивость и настойчивость позволили ее решить, это удалось осуществить с помощью четырехстадийного синтеза. Естественно, автор работы вновь получил не одно, а четыре соединения, содержащих остатки различных аминокислот. На рисунке 8.7 показано одно из четырех полученных соединений, структура которого подтверждена рентгеноструктурным анализом (он позволяет буквально «увидеть» молекулу).
Полученные препараты успешно прошли лабораторные испытания, но автор работы на этом не остановился и наметил еще один путь, ведущий к получению новых лекарственных соединений.
Поиск эффективных препаратов неизбежно связан с различными изменениями изучаемых молекул. Автор решил, что аминокислота, используемая в качестве «проводника» при введении металлокомплекса в клетку, может находиться не только в боковой ветви у лиганда, но и сама играть роль π-лиганда, т. е. занимать то место, где располагается молекула нафталина в показанных ранее структурах. Для этой цели пригодны ароматические (содержащие бензольный цикл) аминокислоты, в этом случае бензольное ядро обеспечит связь с металлом.
Была разработана методика, которая позволяет заменить молекулу нафталина в рутениевом комплексе на фенилсодержащие аминокислоты: фенилаланин, тирозин, триптофан, фенилглицин, причем автор сумел провести реакцию в биологически благоприятных условиях: водный раствор при комнатной температуре и облучении видимым светом (рис. 8.8).
Итак, удалось ввести в состав комплексов ароматические аминокислоты в качестве π-связанных лигандов. Далее последовал переход к следующему этапу работы, замысел которого теперь уже лежал буквально на поверхности.
Как важно поставить метку
Разработанную методику решено было использовать для введения металлокомплексов непосредственно в полипептиды (белки), важно лишь, чтобы в выбранном полипептиде находились фрагменты ароматических (содержащих бензольное ядро) аминокислот.
Здесь будет уместно вспомнить симпатичный рассказ Натальи Романовой «Муравей Красная Точка» для детей дошкольного возраста. Любознательный герой рассказа пометил красной краской одного из муравьев и благодаря этому мог следить за всеми его перемещениями и действиями. Это позволило понять, как организована жизнь муравейника, что практически было невозможно сделать, наблюдая за всей массой копошащихся насекомых.
Возвращаясь к проблемам биохимии онкологических заболеваний, упомянем одну из важных и трудно решаемых. Все применяемые противораковые препараты разрушают не только патологические, но и здоровые клетки. Для того чтобы доставить металлокомплекс, связанный с «путеводителем» – аминокислотой или белком – «по нужному адресу», т. е. в больную клетку, необходимо знать, какие именно аминокислоты и полипептиды избирательно накапливаются в патологических клетках. Такие исследования проводят постоянно и в большом количестве: например, добавляют в полипептид радиоактивную метку (соединение, содержащее технеций) и затем ведут радиометрический контроль либо вводят в белок флуоресцентную метку и далее проводят наблюдения визуально, под микроскопом.
Введение рутениевых комплексов по существу представляет собой удобный новый способ создания метки в полипептиде, за перемещением которого в организме можно следить с помощью спектральных методов.
Преимущества нового метода были обнаружены при введении рутениевых комплексов в состав полипептида – мелиттина. Это основной компонент пчелиного яда, он обладает биологической активностью и, кроме того, оказывает противораковое действие. Мелиттин содержит остаток аминокислоты триптофана, в состав которого входит бензольное ядро, что и позволило ввести рутениевую метку: Тестирование препарата проводили на мышах – незаменимых биологических объектах для подобных испытаний (молекула белка мелиттина показана на рис. 8.9 в виде спирали).
Метка позволила наблюдать за перемещением введенного мелиттина в различные органы животного. У исходного мелиттина помимо лечебного действия есть недостаток: он заметно разрушает эритроциты – красные кровяные тельца, входящие в состав крови. Оказалось, что введение рутениевых комплексов более чем в десять раз снижает это нежелательное побочное действие мелиттина. Дополнительное достоинство состоит в том, что при необходимости метку можно удалить: автору работы удалось разработать соответствующую методику извлечения рутениевого комплекса из полипептида.
Подводя итог, признаем, что описанные поиски далеки от завершения, поскольку сражение идет с очень «сильным противником» – онкологическими заболеваниями. Автор работы заметно приблизился к некоторым уязвимым точкам неприятеля. Как говорят, из малых шагов складываются километры пути к вершине. В заключение отметим, что мы вновь имеем приятную возможность показать портрет не старца, убеленного сединами, а молодого российского химика, ведущего исследования, результаты которых так нужны людям.