во-снайпер
Предупредительный выстрел в воздух может снять снайпера прямо с дерева.
Борьба с заболеваниями возможна не только терапевтическая, т. е. с помощью лекарств, но и иными методами, например с помощью облучения.
В 1898 г. супруги Пьер и Мари Кюри открыли радий – химический элемент с исключительно мощным радиоактивным излучением. Уже через год они стали изучать действие радиоактивного излучения на живые ткани, а затем ввели в медицинскую практику облучение препаратами радия для борьбы с опухолевыми клетками. Радий также определил название нового метода лечения, появилась новая область медицины – радиотерапия.
Одновременное действие трех видов радиоактивного излучения (α-, β- и γ-лучи), испускаемого радием, разрушало не только опухолевые, но и здоровые клетки, поэтому использование радиевых препаратов в медицинских целях требовало исключительно аккуратной дозировки, которую находили опытным путем, иного подхода в то время не существовало. Все это напоминало, по словам современников, ремонт часового механизма с помощью слесарных инструментов.
Современные радиологические методы лечения онкологических заболеваний (называемых в быту облучением) также вызывают большое беспокойство и у больных, и у лечащих врачей, поскольку все прекрасно понимают, что радиация, поражая здоровые ткани, может в конечном итоге привести к лучевой болезни.
От грубых инструментов к утонченным
Научный подход к поиску новых способов лечения формировался постепенно. Основное направление помогли указать интенсивные исследования в ядерной физике. В 1934 г. американский физик Д. Ли обнаружил, что ядра некоторых элементов способны захватывать нейтроны, что сопровождалось испусканием γ-квантов (гамма-излучение). Дальнейшее изучение этого процесса с участием различных ядер и их последующих превращений привело в 1936 г. другого американского биофизика, Г. Лочера, к оригинальной идее лечения онкологических заболеваний. Вначале следует ввести в раковые клетки препарат, содержащий нерадиоактивный изотоп бора 10В, а затем обработать его потоком нейтронов невысокой энергии (так называемых тепловых). При этом атом бора, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп, который распадается с образованием абсолютно безвредного лития, выбрасывая при этом гамма-квант и альфа-частицу (ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона) (рис. 8.10).
Из показанной схемы видно, что суммарное количество частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным, правила написания ядерных реакций те же, что и в обычных химических уравнениях. Верхний числовой индекс у символа химического элемента – массовое число, т. е. сумма протонов и нейтронов в ядре.
Энергия выделяющихся гамма-квантов невелика, и они не оказывают ни лечебного, ни разрушающего действия, основной «лечебный инструмент» – именно a-частицы. Это настоящие «боевые» снаряды, обладающие одним достоинством: у них крайне низкая длина пробега, соизмеримая с размером клетки. В результате α-частица, возникшая за счет ядерной реакции в опухолевой клетке, не выйдет за ее пределы, поскольку обязательно с чем-нибудь столкнется, и потому не затронет здоровые ткани.
Другая сторона вопроса не менее важна. Для того чтобы возникли α-частицы, необходимо облучить организм нейтронами, но не затронут ли они также здоровые клетки? В данном случае использование атомов бора как потенциальных «захватчиков» нейтронов неслучайно. Дело в том, что способность атомов бора захватывать нейтроны на 4–7 порядков превышает аналогичные свойства атомов, входящих в состав тканей живых организмов, – C, H, O, N (именно поэтому соединения бора применяют в ядерных реакторах в качестве поглотителей нейтронов). Таким образом, нейтронное излучение не будет оказывать на организм разрушающего действия. Практически все поступающие нейтроны будут захвачены бором. Осталось решить важную часть задачи – ввести в раковые клетки борсодержащее соединение.
Как можно больше бора
Из общих соображений понятно, что препараты, вводимые в ткани живого организма, должны быть нетоксичны и водорастворимы. Поэтому исследователи в начале 1950-х гг. сосредоточили свое внимание на борной кислоте и ее производных. Клинические испытания показали, что такие препараты неэффективны: они не позволяли получить достаточно высокую концентрацию атомов бора в тканях и, кроме того, не обладали избирательной способностью накапливаться преимущественно в опухолевых клетках.
Возникла задача получить соединения, лишенные указанных недостатков. Поиск молекул с большим числом атомов бора в молекуле естественно привел к каркасным гидридам бора, среди которых наиболее известен карборан, ставший эмблемой химии бора в конце ХХ в. На рисунке 8.11 показана его структурная формула и условное обозначение в виде каркаса из шариков и палочек.
На первый взгляд кажется, что атомы бора и углерода шестивалентны – шесть валентных связей у каждого атома. На самом деле обычные валентные связи лишь у группировок В – Н и С – Н, а остальные представляют собой связи особого типа. Способ соединения элементов в каркас здесь необычный. Появление карборана открыло в химии новую главу, описывающую соединения, построенные с помощью нетрадиционных трехцентровых связей.
Природу связей в таких соединениях обсудим на простом примере, рассмотрев строение одного из бороводородов – диборана, содержащего всего два атома бора: Н3В – ВН3 (гидриды бора называют также боранами).
До середины 1950-х гг. не было ясно, каким образом бороводороды, например В2Н6, напоминающий по составу этан, или тетраборан В4Н10 – аналог бутана, образуют цепочечные структуры, где атомы бора соединены непосредственно друг с другом. У атома бора всего три валентных электрона, и поэтому в молекуле простейшего гидрида BH3 у атома бора не осталось электронов для образования дополнительных связей. В таком случае неясно, как же соединены атомы бора в В2Н6 или В4Н10. Понятно, что классические представления, где два атома связаны одной парой электронов, в этом случае непригодны. В 1950-е гг. было сформулировано понятие трехцентровых связей. В диборане В2Н6 атомы бора непосредственно не связаны друг с другом. Они соединяются с помощью атомов водорода. На рисунке 8.12 показано, как сферическая s-орбиталь водорода пересекается одновременно с двумя вытянутыми p-орбиталями двух атомов бора (орбиталь характеризует область наиболее вероятного расположения электрона в пространстве, ее геометрический образ – электронное облако определенной формы). Образуются две такие связи над и под мысленной плоскостью, в которой расположены фрагменты ВН2.
Таким образом, в связь В – Н, лежащую над плоскостью и образованную традиционной парой электронов, вовлекается еще один атом бора (расположенный справа), который для образования связи электрона не поставляет, он участвует своей вакантной, т. е. не занятой орбиталью (на рисунке эта орбиталь не содержит электрона). В результате два атома бора и один атом водорода – три центра – оказываются связанными двумя электронами (такую связь называют трехцентровой двухэлектронной).
Как же изобразить формулу диборана? В настоящее время ее пишут, используя обычную схему валентных связей (рис. 8.13).
При этом водород выглядит двухвалентным, что совершенно необычно, однако химики понимают, что это трехцентровая связь и водород в данном случае мостиковый. Такое обозначение уже стало привычным.
Трехцентровые связи могут реализоваться не только в треугольнике из двух атомов бора и одного атома водорода, но и между тремя атомами бора (без участия водорода), например в карборане. Каждый атом бора предоставляет для образования связей четыре орбитали (четвертая орбиталь вакантная) и три электрона. В карборане присутствуют еще два атома углерода, они также участвуют в образовании трехцентровых связей и составляют неотъемлемую часть каркаса. Атомы водорода, окружающие каркас карборана (связи В – Н и С – Н), не принимают участия в образовании трехцентровых связей, они доступны для дальнейших превращений, о чем будет рассказано ниже.
Химия карборана изучена весьма детально, и потому вопрос о направленной его модификации для решения задачи, намеченной в начале рассказа, мог быть решен без особо изнурительных поисков, что делало карборан особенно привлекательным для химиков.
Улучшенный вариант
Довольно быстро выяснилось, что карборан имеет ряд недостатков, затрудняющих его использование для решения поставленной задачи. Это соединение гидрофобно (водоотталкивающие свойства), что затрудняет его введение в ткани живого организма, в результате возникает необходимость дополнительно вводить в карборан различные гидрофильные группы, которые позволят в конечном итоге получить водорастворимый препарат.
Этот недостаток отсутствует у аниона [B12H12]2-, содержащего 12 атомов бора и называемого додекаборат-анионом (от греч. додека – двенадцать).
Этот анион (рис. 8.14) представляет собой многогранник с точно такой же структурой, что и у его знаменитого «родственника» – карборана. Додекаборат-анион обладает рядом преимуществ, которые делают его предпочтительным для использования в лечебном процессе: он содержит большее количество атомов бора, чем карборан, способы его получения весьма многочисленны: например, он образуется в том или ином количестве практически при всех пиролитических реакциях (терморазложение) бороводородов. К тому же анион [B12H12]2– гидрофилен (водорастворим) и обладает очень низкой токсичностью.
Опыт, накопленный биохимиками, позволил определить те функциональные группы, которые следует присоединять к борному каркасу, чтобы обеспечить накопление препарата в опухолевых клетках. Наиболее предпочтительны аминогруппы (–NH2), цианатные (–NCO), карбоксильные (–СООН) и изотиоцианатные (–NCS) группы. Важно также, как именно должны располагаться вводимые функциональные группы около каркаса. При последующем взаимодействии функциональной группы с белковой молекулой борное ядро создаст пространственные затруднения, и, чтобы это устранить, необходимо располагать активную группу на некотором удалении от каркаса, отодвинув ее с помощью цепочки из трех – пяти атомов. По замыслу вся конструкция для охоты за опухолевыми клетками должна напоминать удочку с поплавком (борным ядром) и расположенным на некотором удалении крючком – активной функциональной группой (рис. 8.15).
Навешивание «крючка»
Познакомимся далее с тем, как решали поставленную задачу профессор В.И. Брегадзе (рис. 8.16) с сотрудниками. Во всех описанных далее превращениях сам каркас не затрагивался, взаимодействие происходило с участием «боковых» связей В – Н. Различные группы присоединяли к борному каркасу по следующей схеме. Вначале «прикрепляли» молекулу тетрагидрофурана (ТГФ) – цикл с четырьмя группами СН2 и одним атомом О (рис. 8.17).
Этот цикл затем размыкался, и к освободившемуся концу с помощью двухстадийных синтезов «приделывали» нужную функциональную группу, которая в итоге оказывалась связанной с борным каркасом через удлиняющую тетраметиленоксидную цепочку – O(CH2)4– (рис. 8.18).
В результате получили удлиняющий хвост, на который «навешана» или аминогруппа – NH2, или карбоксильная группа – СООН. Удалось также с помощью пятистадийного (!) синтеза присоединить к борановому каркасу изотиоцианатную группу – N=C=S (рис. 8.19).
Последующие биологические исследования показали, что наилучшее связывание с опухолевыми клетками и доставку в них атомов бора дает именно эта изотиоцианатная группа – N=C=S.
Для проведения эффективного лечения недостаточно усилий только химиков, необходимо совместное участие биохимиков, онкологов и физиков-ядерщиков (на стадии нейтронного облучения). Сам метод, получивший несколько громоздкое название бор-нейтронозахватной терапии, несмотря на его давнюю историю, лишь в наши дни приблизился к тому, чтобы быть испытанным экспериментально. Ниже показаны снимок спаниеля с опухолью на губе и рядом снимок той же собачки после лечения (рис. 8.20).
Лечебный препарат был введен в Институте биофизики, а затем собачку подвергли облучению в реакторе Московского инженерно-физического института (МИФИ). Среди ученых, принимавших участие в эксперименте, эта собачка не менее знаменита, чем разрекламированная на весь мир клонированная овечка Долли.
Еще больше бора
На сегодня проведены испытания большого количества препаратов, но мысль исследователя, как обычно, идет дальше. Поскольку успех лечения во многом зависит от количества атомов бора в молекуле, был реализован синтез препаратов следующего поколения с заметно более высоким содержанием бора. Для этого объединили две карборановые молекулы (содержащие и В, и С) с помощью атома кобальта, который входит одновременно в структуру двух многогранников. Затем ввели функциональные группы, необходимые для последующего связывания с биомолекулами. Схема введения та же, что и ранее: в качестве удлиняющей ветви использован фрагмент – O(CH2)4–, образующийся при размыкании цикла в тетрагидрофуране. Поскольку все полученные соединения имеют ионный характер, проблема гидрофобности карборанового ядра в этом случае снята, соединения водорастворимы (рис. 8.21).
Синтез этих соединений весьма трудоемкий, но если последующие опыты покажут, что они обладают принципиально более высоким лечебным эффектом, то их производство будет налажено.
Другие «грани» многогранников
Бор-нейтронозахватная терапия пока только начинает развиваться, в настоящее время более широко распространена практика лечения онкологических заболеваний лекарственными методами, о чем было рассказано выше. Для этой цели применяют различные препараты, например цисплатин (комплексное соединение платины). Недавние исследования показали, что особенно эффективно уничтожают раковые клетки органические производные олова, но, в отличие от цисплатина, они токсичны.
Карбораны и в этой области сумели заявить о себе: оказалось, что они резко снижают токсичность соединений олова, сохраняя их противораковую активность. Пример одного из таких соединений показан на рисунке 8.22.
Препараты такого типа во много раз более эффективны, чем цисплатин, их используют для лечения меланомы, а также опухолевых заболеваний кишечника.
Помимо лечения, важный элемент медицинской практики – своевременная диагностика, особенно она важна в случае онкологических заболеваний. Поскольку здоровые и больные клетки при рентгенодиагностике практически неразличимы, в организм вводят вещество, которое должно накапливаться в больных тканях, кроме того, оно содержит рентгеноконтрастную добавку, обычно это изотоп иода 125I (рис. 8.23). Принятый на сегодня метод основан на введении в организм различных специфических аминокислот, содержащих изотоп иода 1251. К сожалению, связь С – I нестабильна в живом организме и метка довольно быстро уходит из области диагностики.
Бороводородные каркасы помогли решить и эту проблему. Связь В – I заметно более стабильна в сравнении с C–I, что позволяет получать соединения с устойчивой меткой. Функциональная группа, обеспечивающая предпочтительное связывание с белковыми молекулами опухолевых клеток, – та самая изотиоцианатная группа, которая упоминалась ранее как более эффективная – взаимодействует с аминогруппами патологических белков (показанная на рис. 8.24 связь атома иода с каркасом означает, что точное положение атома иода не определено).
Еще раз вернемся к нашим боранам
Фраза в заголовке почти в точности совпадает с широко известной фразой «вернемся к нашим баранам» из французской пьесы «Адвокат Пьер Патлен», где описана судебная тяжба между изготовителем сукна и пастухом, который украл у суконщика овец. Напомним, что боранами называют бороводороды. В перспективе намечено использование боранов для лечения ревматоидных артритов методом бор-нейтронозахватной терапии, что может составить конкуренцию современным хирургическим методам или даже полностью их заменить.
Несомненно, что химия боранов, богатая и интересная сама по себе, приложима не только к решению медицинских проблем. Например, показанное ранее производное кобальт-карборана применимо для экстракции радиоактивных изотопов цезия и стронция из различных отходов ядерных производств, а Sn-, As- и Sb-производные карборанов можно использовать в микроэлектронике.
Очевидно, что потенциал каркасных бороводородов еще не исчерпан и будут найдены новые области, где они сумеют продемонстрировать свои уникальные возможности.