Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Циклодекстрины как уникальные природные объекты для супрамолекулярной химии и архитектуры (литературный обзор) 10
1.1 Циклодекстрины: прошлое, настоящее, будущее (краткий очерк) 11
1.2 Особенности региоселективной модификации циклодекстринов 24
1.3 Соединения включения на основе циклодекстринов 37
1.4 Применение циклодекстринов в фармакологии 42
Глава 2. Дизайн новых производных -циклодекстринов (обсуждение результатов) 54
2.1 Синтез монокатионных производных -циклодекстрина 55
2.2 Синтез 6-моноальдегида -циклодекстрина и иминопроизводных на его основе 66
2.3 Прямая этерификация циклодекстринов карбоновыми кислотами 74
2.3.1 Этерификация -циклодекстрина некоторыми ароматическими монокарбоновыми кислотами 74
2.3.2 Этерификация 2-гидроксипропил--циклодекстрина рядом ароматических монокарбоновых кислот 80
2.3.3 Этерификация монокатионного производного -циклодекстрина определенными ароматическими монокарбоновыми кислотами 86
2.4 Синтез димерных производных -циклодекстрина 90
2.4.1 Синтез бис--циклодекстринов на основе алкилендиаминов 92
2.4.2 Получение димерных производных этерификацией -циклодекстрина 96
2.5 Соединения включения -циклодекстрина с некоторыми моно- и дикарбоновыми кислотами 99
Глава 3. Экспериментальная часть 105
Заключение 125
Список используемой литературы 126
Приложение 167
- Особенности региоселективной модификации циклодекстринов
- Синтез монокатионных производных -циклодекстрина
- Этерификация 2-гидроксипропил--циклодекстрина рядом ароматических монокарбоновых кислот
- Соединения включения -циклодекстрина с некоторыми моно- и дикарбоновыми кислотами
Введение к работе
Актуальность работы. Развивающиеся в последние годы исключительно быстрыми темпами нанотехнологии находят все более широкое применение, в частности при разработке способов векторной (направленной) доставки лекарственных веществ. В ряду наноразмерных частиц и материалов уже несколько десятилетий особое внимание исследователей привлекают циклодекстрины.
AOHh
(0Н)7 (ОН),
Р-циклодекстрин (л = 2) НО
Циклодекстрины (CDs), представляющие собой сложные природные циклические олигосахариды, состоящие из остатков D-глюкопиранозы, соединенных -1,4-гликозидной связью, и их некоторые производные нашли широкое применение как «контейнеры» лекарственных препаратов в фармакологии за счет инкапсулирования разных гидрофобных соединений (образование соединений включения типа «гость-хозяин»). Этим свойством циклодекстрины обладают благодаря своему строению: их молекулы имеют гидрофильную внешнюю поверхность и гидрофобную внутреннюю полость, по своим размерам сопоставимую с размером большого числа органических и неорганических соединений. Такое инкапсулирование защищает включенное лекарство от биоразложения, побочных эффектов, способствует повышению его водорастворимости и, в итоге, более эффективному фармакологическому действию. Кроме «включения» в последнее время известные успехи были достигнуты при ковалентном («химическом») «привязывании» (конъюгировании) лекарственных средств к циклодекстрину, что позволяет в ряде случаев создавать новые, более эффективные лекарственные формы за счет более пролонгированного и целенаправленного действия.
Цели работы. Исследование и разработка эффективных синтетических подходов к синтезу регионаправленно замещенных по первичным гидроксильным группам производных -циклодекстрина (как наиболее дешевому, распространенному и коммерчески широко используемому представителю данного класса соединений) с целью создания новых форм лекарственных средств на его основе, представляющих собой конъюгаты ряда соединений
противовоспалительного, обезболивающего и жаропонижающего действия с
-циклодекстрином и его синтетическими производными. Другая цель работы
заключалась в получении стабильных, то есть выделяемых и устойчивых при
длительном хранении в нормальных условиях, комплексов включения
-циклодекстрина с некоторыми нестероидными противовоспалительными
препаратами из группы производных пропионовой кислоты и представляющими фармакологический интерес дикарбоновыми кислотами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать эффективные пути синтеза наноразмерных катионных производных -циклодекстрина как потенциальных носителей (соединения включения и конъюгаты) лекарственных средств для фармакологических исследований в разных направлениях;
подобрать оптимальные условия для синтеза альдегида -циклодекстрина как одного из наиболее подходящих интермедиатов для последующего синтеза на его основе новых функционально замещенных производных;
выяснить особенности супрамолекулярного влияния циклодекстриновой полости на ход и направленность протекания классических реакций этерификации -циклодекстрина и его некоторых синтетических производных с ароматическими моно- и дикарбоновыми кислотами, представляющими фармакологический интерес, а также с производными пропионовой кислоты из группы нестероидных противовоспалительных средств, обладающих болеутоляющим и жаропонижающим действием;
разработать эффективные пути синтеза димерных производных -циклодекстрина;
исследовать возможность получения стабильных соединений включения циклодекстрина с «гостями» различной природы, представляющих фармакологический интерес;
рассмотреть влияние пространственного строения молекулы некоторых «гостей» на возможность образования соединений включения с -циклодекстрином;
провести фармакологические исследования ряда вновь синтезированных конъюгатов и комплексов включения -циклодекстрина и его производных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые проведено систематическое исследование в области синтеза новых лекарственных средств путем конъюгирования их к -циклодекстрину и его некоторым синтетическим производным;
подобраны условия для получения монозамещенных по первичным гидроксильным группам циклодекстринов, на основе которых возможен дальнейший синтез новых функционально замещенных циклодекстринов;
исследована возможность получения стабильных соединений включения циклодекстрина с «гостями», представляющих фармакологический интерес и рассмотрено влияние пространственного строения молекулы «гостя» на возможность образования соединений включения с -циклодекстрином;
изучен антифлогистический эффект в моделях асептического воспаления конъюгатов -циклодекстрина с кетопрофеном и напроксеном;
изучена актопротекторная активность в моделях холодового стресса конъюгатов -циклодекстрина, а также его катионного производного с п-аминобензойной, никотиновой и изоникотиновой кислотами;
комплекс включения с янтарной кислотой значительно изменяет показатели когнитивной сферы, оказывая ноотропное воздействие: по степени воздействия на когнитивную сферу эффект комплекса включения близок к аналогичному эффекту препарата Mexidol, но потенциально активирует механизмы декларативной памяти у лабораторных животных.
При этом на основе разработанных нами подходов к направленной
функционализации циклодекстринов возможно получение лекарственных
препаратов и другого фармакологического действия.
Практическая значимость. Предложены практические пути получения
разных по природе монокатионных аминиевых производных циклодекстринов,
несущих положительный заряд на стороне первичных гидроксильных групп,
представляющие интерес как потенциальные носители (соединения включения и
конъюгаты) лекарственных средств для фармакологических исследований в разных
направлениях. С использованием ароматических моно- и дикарбоновых кислот, а
также производных пропионовой кислоты из группы нестероидных
противовоспалительных средств, обладающих болеутоляющим и жаропонижающим
действием, и -циклодекстрина и его синтетических производных получены
конъюгаты, которые могут служить для точечной доставки действующего средства
к цели. Кроме того, разработанные методики позволяют получать стабильные
комплексы включения циклодекстринов с некоторыми нестероидными
противовоспалительными соединениями из группы производных пропионовой
кислоты и представляющими фармакологический интерес дикарбоновыми
кислотами. Таким образом, на основе разработанных методик возможно создание
лекарственных препаратов нового поколения, обеспечивающих
высокоэффективную и точечную доставку лекарственных средств.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов
проведенных исследований подтверждается использованием различных вариантов спектроскопии ЯМР 1Н, 13С, в том числе двумерной спектроскопии ЯМР HOMOCOR {1Н–1Н} и HETCOR {1Н–13С}, регистрации спектра раствора образца в режиме DEPT, а также элементного анализа.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены
и обсуждались на Всероссийской молодежной конференции-школе с
международным участием «Достижения и проблемы современной химии» (Санкт-Петербург, 10–13 ноября 2014 г.), Круглом столе молодых ученых по приоритетным направлениям науки (Москва, 18 ноября 2015 г.), IV Всероссийской конференции по органической химии (Москва, 22–27 ноября 2015 г.), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 26–30 сентября 2016 г.), 16th International Seminar on Inclusion Compounds and 3rd Youth School on Supramolecular and Coordination Chemistry (Казань, 26–30 июня 2017 г.), 27th International Chugaev Conference on Coordination Chemistry and 4th Conference-School for Young Researchers «Physicochemical Methods in Coordination Chemistry» (Нижний Новгород, 2–6 октября 2017 г.).
Диссертационное исследование выполнено на кафедре органической химии
Института биологии и химии федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Московский педагогический
государственный университет». С 2016 г. работа была непосредственно связана с
выполнением гранта Российского фонда фундаментальных исследований
№ 16-03-00444.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 научных публикациях, в том числе 8 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертаций, и 6 тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 166
страницах машинописного текста: состоит из введения, литературного обзора (глава
1), обсуждения результатов собственных исследований (глава 2),
экспериментальной части (глава 3), заключения и приложения, где приведены результаты выполненных в ФГБОУ ВО «Амурская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации и ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет» фармакологических испытаний, и содержит 14 схем, 30 рисунков и 13 таблиц. Список цитируемой литературы включает 329 наименований.
Автор считает приятным долгом выразить глубокую благодарность и
признательность канд. хим. наук Г.И. Курочкиной и своему научному руководителю
д-ру хим. наук, проф. М.К. Грачеву за постоянную поддержку и внимание, канд. хим.
наук Л.К. Васяниной и научному сотруднику ФГБУН «Институт биохимической
физики им. Н.М. Эмануэля» Российской академии наук И.И. Левиной за
регистрацию и помощь в интерпретации спектров ЯМР, а также д-ру биол. наук
ФГБОУ ВО «Амурская государственная медицинская академия» Министерства
здравоохранения Российской Федерации Т.А. Баталовой (г. Благовещенск) и канд.
биол. наук ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»
А.А. Сергиевичу (г. Владивосток) за организацию и проведение фармакологических испытаний.
Особенности региоселективной модификации циклодекстринов
Так, три природных циклодекстрина содержат 18 (), 21 () и 24 () гидроксильные группы, которые могут быть химически модифицированы разнообразными заместителями, что открывает широкие возможности для получения большого количества их производных [13, 54, 90]. Реакции с циклодекстринами регулируются как минимум двумя важными факторами: нуклеофильностью гидроксильных групп в положениях C-2, C-3 и С-6, а также способностью циклодекстрина к образованию комплексов включения с используемыми реагентами [90, 93]. Первичные гидроксильные группы в положениях С-6 являются наиболее нуклеофильными и основными. Вторичные гидроксильные группы в положениях С-2 являются наиболее кислотными, в то время как группы в положениях C-3 – наиболее труднодоступными [90, 93]. Электрофильные реагенты предпочтительно будут атаковать гидроксогруппы в положениях С-6, при этом наиболее активный и/или менее пространственно затрудненный реагент будут также атаковать и положения C-2 и C-3. Из-за различий в реакционной способности между тремя типами гидроксильных групп, в некоторых случаях с успехом можно контролировать регионаправленность замещения у циклодекстринов [1, 90, 93, 94].
Например, триметилсилихлорид хаотично замещает все гидроксогруппы циклодекстрина [95] , в то время как менее активный и более пространственно нагруженный трет-бутил(диметил)силилхлорид атакует преимущественно первичные гидроксильные группы положений С-6 [96, 97].
Дополнительная сложность направленной функционализации циклодекстринов заключается и в том, что природа растворителя [96] и даже повышенная температура [98, 99] могут изменять направление реакции, например, на преимущественное силилирование по вторичным гидроксогруппам. В то же время наиболее кислотные гидроксильные группы в положениях С-2 будут легче депротонироваться (например, под действием гидрида натрия), давая оксианионы, которые уже существенно более нуклеофильны, чем недепротонированные гидроксильные группы положений С-6, и поэтому предпочтительнее вступают в реакцию с электрофильным реагентом [100]. На рисунке 1.10 представлена схема, которая отражает пять основных направлений химической модификации циклодекстринов применительно к получению их замещенных производных.
В тех случаях, когда точное положение и число заместителей не важны, водорастворимые производные циклодекстрина легко получаются, например, путем хаотичной замены гидроксильных групп на гидроксипропильные, сульфопропилакрилатные или карбоксиметильные группы [1, 101]. Однако, следует учитывать, что степень замещения важна не только для хорошей растворимости производных в воде, но она также влияет на доступ молекулы «гостя» к внутренней полости.
Поскольку первичные гидроксильные группы являются более нуклеофильными, они могут быть легче модифицированы в другие функциональные группы. Моно- или перзамещенные по первичным гидроксильным группам продукты синтезировать относительно легче, чем ди-, три-и более замещенные соединения из-за изомерии положения, требующие дополнительного сложного хроматографического разделения и очистки.
Такие сильные электрофилы, как алкилтио- [102, 103], фосфорил- [104, 105], силил- [106, 107], сульфонилпроизводные [108, 109] или хлорангидриды карбоновых кислот [110, 111] вступают в реакцию с гидроксильными группами циклодекстрина, в результате чего образуются соответствующие эфиры вместе с кислотой, которая нейтрализуется основным растворителем либо слабым основанием. Использование основания или основного растворителя обусловлено тем, что циклодекстрины стабильны в щелочных условиях, в то время как в присутствии сильной кислоты они гидролизуются [112, 113]. Все вышеперечисленные реагенты обладают высокой реакционной способностью и атакуют гидроксильные группы циклодекстрина, образуя случайным образом разнозамещенные продукты. Использование даже такой громоздкой группы, как трифенилметил, не является селективным и дает смесь продуктов, которая требует хроматографического разделения [114, 115, 116]. Наиболее популярным реагентом для получения замещенных производных циклодекстринов на стороне первичных гидроксильных групп является трет-бутилдиметилхлорсилан, при этом выход перзамещенного по положениям C-6 продукта (который можно легко отделить с помощью колоночной хроматографии или путем перекристаллизации) достигает 90 % [117].
Среди всех заместителей сульфонильная группа выступает в качестве хорошей уходящей группы и может быть вытеснена нуклеофилами, в результате чего получаются перспективные для синтеза производные. Известно, что многие нуклеофилы атакуют атом углерода в 6 положении сульфонатов, образуя соответствующие модифицированные циклодекстрины. Тем не менее, щелочи не могут быть использованы в качестве нуклеофилов вследствие внутренней циклизации, приводящей к образованию 3,6-ангидропродуктов, как показано на рисунке 1.11 [118].
Наиболее распространенным методом получения монозамещенных циклодекстринов по положению C-6 является нуклеофильная атака реагентом, содержащим соответствующую группу, монотозильного производного циклодекстрина. Монотозилаты получают путем реакции 1 экв. п-тозилхлорида с циклодекстрином в пиридине или ДМФА в присутствии основания. Однако этот процесс часто является неселективным, что приводит к образованию не только смеси производных циклодекстринов, в которых замещены как первичные, так и вторичные гидроксильные группы, но и к получению также ди- или тритозилатов. Таким образом, в зависимости от желаемой чистоты полученные соединения требуют разделения и значительной очистки. Выход конечного продукта часто снижается, так как тозилат может подвергнуться обмену хлорид-ионов или процессу элиминирования, образуя либо 3,6-ангидросоединение, либо алкен. Кроме этого, пиридин – не самый удачный выбор растворителя для этой реакции вследствие возможности его включения в полость циклодекстрина, что усложняет процесс обработки, удаления избытка растворителя, а также из-за образующихся побочных продуктов. Тем не менее, основным преимуществом этого растворителя, по сравнению с ДМФА, является его способность направить реакцию по положению C-6. Несмотря на все эти проблемы и недостатки, монотозилаты были широко исследованы [114, 119, 120, 121]. Для увеличения выхода тозилата синтез необходимо проводить в щелочной среде в течение короткого промежутка времени при соотношении циклодекстрин : тозилхлорид – 1:1. Продукт получают соответствующей степени чистоты либо путем повторной перекристаллизации из воды, либо с помощью хроматографии на колонке с активированным углем. В некоторых случаях комплексообразующее свойство циклодекстрина может быть использовано для направления реакции по первичным гидроксильным группам. Например, синтез тозилхлорида с -циклодекстрином в щелочной среде с образованием монотозилатов по положению C-6 было связано с формированием предреакционного комплекса до реакции [122].
Синтез монокатионных производных -циклодекстрина
Как уже указывалось выше, благодаря способности к образованию комплексов включения с различными органическими субстратами с высокой селективностью циклодекстрины нашли широкое применение в фармакологии как системы для доставки лекарств путем молекулярного инкапсулирования. Наряду с этим, в последнее время стали развиваться и другие, более перспективные возможности использования циклодекстринов в фармакологии: ковалентное «привязывание» (конъюгирование) лекарственных средств к циклодекстрину и создание лекарственных препаратов на его основе. На этом основывается получение более эффективных лекарственных препаратов с менее выраженными побочными эффектами [244]. Для развития этого направления в последнее десятилетие особое внимание уделяется амфифильным производным циклодекстринов с гидрофобными фрагментами (обычно алкильными или ацетильными остатками, ковалентно связанными с кислородом первичных гидроксильных групп циклодекстринового каркаса) с целью поиска новых фармакологических возможностей циклодекстринов в качестве эксипиентов лекарственных соединений.
Синтез новых производных циклодекстринов приобретает все большее значение в последние годы из-за растущих потребностей фармацевтики в молекулах, способных образовывать комплексы включения с различными биоактивными молекулами. Известно, что регионаправленная модификация циклодекстринов представляет собой трудную в экспериментальном отношении задачу из-за наличия, например, для -циклодекстрина разных по природе 7 первичных и 14 вторичных гидроксильных групп, находящихся соответственно на узкой и широкой стороне циклодекстринового каркаса. В синтетической практике для этого обычно применяется постановка защитных групп на соответствующие гидроксилы, функционализация оставшихся свободных гидроксогрупп и последующее снятие защит с получением соединения заданного строения. Для синтеза регионаправленно монозамещенных -циклодекстринов по первичным гидроксилам, чаще всего, используют монотозилирование и дальнейшее замещение тозильной группы подходящим протонодонорным нуклеофилом.
Монотозилирование немодифицированных циклодекстринов по 6 положению представляет собой типичную исходную реакцию, приводящую к химически активному промежуточному соединению, которое может быть легко преобразовано в широкий спектр полезных производных циклодекстрина. Имеется большое количество публикаций, сообщающих о синтезе и дальнейших превращениях 6-О-монотозилированного циклодекстрина (см. раздел 1.2). Катионные производные циклодекстринов представляют собой соединения, у которых один или несколько гидроксилов замещены на группу, несущую положительный заряд. Данные производные циклодекстринов и их супрамолекулярные ансамбли были разработаны как новый класс синтетических ДНК-векторов для трансфекции [245]. Вирусные векторы демонстрируют высокую эффективность трансфекции, но с риском иммунной реакции. В качестве альтернатив широко исследовались невирусные векторы, такие как катионные липосомы, полимеры и дендримеры [246]. Катионные производные циклодекстринов нейтрализуют заряды фосфатных групп цепочек ДНК и способствуют ее конденсации в компактный комплекс наночастиц.
Такие амфифильные катионные циклодекстрины, как гептакис [2-(-амино-олигоэтиленгликоль)-6-дезокси-6-гексилтио]--циклодекстрин и гептакис [2-(-амино-олигоэтиленгликоль)-6-дезокси-6-гексадецилтио]--циклодекстрин оценивали на предмет конденсации плазмидной ДНК и трансфекции клеток [247]. Эти производные могут самоорганизовываться в катионные везикулы или наночастицы и, в отличие от их амфифильных неаминированных аналогов, образуют липоплексы с ДНК, которые эффективно трансфицируют клетки COS-7.
Кроме того, циклодекстрины модифицировали пиридиламино-, метоксиэтиламино- или первичными аминоалкилами, а также алкилимидазолом по первичным гидроксильным группам и наряду с незаряженными -циклодекстрином, гидроксипропил- и диметил--циклодекстрином определяли их эффективность в качестве векторов, тестируя на клетках COS-7 [248]. Незаряженные циклодекстрины не образовывали стабильные комплексы с ДНК и приводили к незначительному улучшению уровня трансфекции только ДНК. Катионные производные циклодекстринов нейтрализуют ДНК с образованием стабильных комплексов наночастиц. Эффективность трансфекции таких производных зависит от присутствующих заместителей, причем наиболее эффективным было наличие амино-, пиридиламино- либо бутилимидазольной группы в положениях 6 и немодифицированных вторичных гидроксилов. Полученные результаты показывают, что циклодекстрины являются полезными каркасами для дальнейшей модификации с целью получения молекулярных конструкций, способных улучшать доставку генов.
Недавно были предложены многочисленные липосомы, везикулы, наносферы и нанокапсулы, которые представляют интерес для точечной доставки лекарств к клетке-«мишени». Указанные молекулярные структуры объединяют способность циклодекстринов к включению и транспортировке организованных «самосборных» структур, таких как везикулы и мицеллы, особенно когда амфифильные циклодекстрины вводят в предварительно организованную липидную матрицу (липосомы или их аналоги). Например, для синтеза фрагментов, близких по структуре и природе к липидной матрице в клеточной мембране, были получены первые представители нового класса амфифильных циклодекстринов: холестерин, ковалентно присоединенный к -циклодекстрину [249] и фосфолипидоциклодекстрины [249, 250, 251].
С медицинской точки зрения, конъюгированные циклодекстрины с молекулами лекарственного средства (пролекарства) могут использоваться для точечной доставки лекарств, тогда как катионные производные циклодекстринов могут повышать их способность проникать через биологические барьеры, например, гематоэнцефалический барьер [252], встраиваться в биологические мембраны [248, 253], а также служить в качестве переносчиков при доставке («векторизации») ДНК при генной терапии [247, 254, 255, 256].
Для синтеза катионных производных в литературе, чаще всего, используют присоединение различных солей четвертичного аммония, фосфония или сульфония [257] или применяют 6-азидо-6-дезоксипроизводные циклодекстринов, последующая обработка которых трифенилфосфином в водном аммиаке приводит к образованию аминопроизводных [100, 258]. Однако этот метод имеет ограничения, так как подходит только для получения первичных алкиламиниевых производных циклодекстринов.
Ранее, для получения катионных производных циклодекстринов, содержащих заряженные фрагменты на стороне первичных гидроксильных групп, в нашей группе использовалось алкилирование подходящего амина как пер-6-бром-пер-6-дезокси- [259], так и производными циклодекстринов, несущими меньшее количество атомов брома [260, 261]. В последнем случае экспериментальная трудность заключалась в точном установлении количества и порядка расположения бромдезоксигрупп, введенных в положения 6 циклодекстрина. В этих работах речь обычно шла о среднем (преимущественном) количестве введенных атомов брома. Кроме этого, в случае введения количества атомов брома от 2 до 5, возможно и существование трудноразделимых изомеров положения. На данном этапе нашей работы мы рассмотрели возможность синтеза монокатионных производных исходя из моногалогенопроизводных -циклодекстрина и соответствующих аминов [262]. Для этой цели было выбрано селективное монотозилирование свободного циклодекстрина 1 тозилимидазолом.
Уже было опубликовано несколько методов для получения монотозильного производного 2 [126, 128, 124, 109]. К сожалению, большинство из них приводят к образованию смеси моно- и мультитозилированных продуктов, которые нельзя разделить простыми методами. Поэтому среди множества предложенных способов получения монотозильного производного 2 мы выбрали метод, предложенный в работе [128] как наиболее надежный и эффективный. Синтез галогенпроизводных 3, 4 осуществлен по общей методике [114] на основе монотозильного производного -циклодекстрина 2.
Этерификация 2-гидроксипропил--циклодекстрина рядом ароматических монокарбоновых кислот
Гидроксипропилированные производные -циклодекстрина благодаря своей повышенной водорастворимости и меньшей токсичности по сравнению с исходным -циклодекстрином нашли широкое применение в фармацевтической практике как молекулы-носители для ряда лекарственных средств (см., например, обзор [1]). Такие соединения включения типа «гость–хозяин» на основе гидроксипропилированных циклодекстринов позволяют улучшить биодоступность липофильных лекарственных соединений, повысить водорастворимость и защитить их от внешнего нежелательного воздействия.
Использование 2-гидроксипропил--циклодекстрина в фармацевтических препаратах было запатентовано почти одновременно Janssen Pharmaceutica [286] и National Institutes of Health [287] в 1983 и 1984 годах, соответственно. С тех пор в базе данных Cyclodextrin News было зарегистрировано приблизительно 3000 статей и 1000 патентов на 2-гидроксипропил--циклодекстрин. Значительную роль и свой след как в признании свойств 2-гидроксипропил--циклодекстрина, так и в доказательстве его безопасности сыграл M. Brewster [288, 289, 290, 291]. Дальнейшие обзоры фармацевтического применения и токсикологии гидроксипропильного производного были опубликованы другими авторами [292, 293, 294, 87, 90].
В настоящее время 2-гидроксипропил--циклодекстрин является наиболее универсальным эксипиентом среди циклических олигосахаридов: он может быть использован в пероральных, ректальных, дермальных, глазных и парентеральных препаратах. Существует несколько коммерческих фармацевтических продуктов, содержащих данные производные с различными активными компонентами.
Препараты представляют собой в основном растворы (применяются как настойки, инъекции и глазные капли), основанные на солюбилизирующем и стабилизирующем эффекте гидроксипропильного производного. Новой сферой применения 2-гидроксипропил--циклодекстрина является его использование уже не как эксипиента, а как активного фармацевтического агента. J. Pitha первым предположил, что данное производное, введенное парентерально в качестве солюбилизатора плохо растворимого лекарственного средства, не останется свободным после высвобождения «гостя», но может инкапсулировать липофильные компоненты, такие как витамины и гормоны [295]. Уже в 1987 году его группа использовала внутривенное введение 2-гидроксипропил--циклодекстрина при гипервитаминозе A для удаления его избытка [296]. Это было первое применение гидроксипропильного производного в качестве лекарственного средства. С тех пор было обнаружено, что 2-гидроксипропил--циклодекстрин оказывает благотворное влияние на пациентов с болезнью Ниманна–Пика, тип C. Это редкое генетически наследственное заболевание является смертельным метаболическим расстройством, проявляющимся в увеличении накопления холестерина в мозге и других органах, что приводит к нейродегенерации. Гидроксипропильное производное может замедлить прогрессирование заболевания, но механизм его действия до сих пор не изучен [297].
В связи со сказанным мы исследовали возможность прямой этерификации производного -циклодекстрина 54, содержащего 2-гидроксипропильные остатки у вторичных гидроксильных групп (С2ОН) со средней степенью замещения 5, вышеупомянутыми свободными кислотами 39–43 [298].
Исходное коммерчески доступное гидроксипропилированное производное 54 «Acros Organics» (США) содержит 4 набора разных по природе гидроксильных групп (первичные С6ОН, вторичные С2ОН и С3ОН и вторичные гидроксильные группы гидроксипропильных остатков), которые могут подвергаться этерификации, поэтому предварительно мы уточнили строение производного 54 методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13C. В спектре ЯМР 1Н (ДМСО-d6) наблюдали уширенный сигнал метильных протонов гидроксипропильных остатков с химическим сдвигом 0.98 м. д., сигналы C2H–C5H, C6H2 протонов циклодекстринового остова, метиновых и метиленовых фрагментов гидроксипропильных остатков в области 3.19–3.87 м. д., сигналы протонов вторичных гидроксилов циклодекстринового каркаса в области 4.39–4.73 м. д., уширенный сигнал аномерных протонов в области 4.79–5.08 м. д. и уширенный сигнал протонов первичных гидроксилов C6OH и вторичных гидроксогрупп гидроксипропильных фрагментов в области 5.52–5.89 м. д.
В спектре ЯМР 13С (ДМСО-d6) производного 54 фиксировали сигнал ядер углеродов метильных групп гидроксипропильных остатков при 20.4 м. д., С-6 с химическим сдвигом 60.5 м. д., сигнал ядер углеродов метиновых групп гидроксипропильных остатков при 65.3 м. д., сигналы ядер углеродов C-2, C-3 и C-5 в области 71.4–74.1 м. д., сигнал ядер углеродов C-2, несущих гидроксипропильные фрагменты, при 77.1 м. д., сигнал ядер углеродов метиленовых групп гидроксипропильных остатков с химическим сдвигом 78.1 м. д., сигнал ядер C-4 с химическим сдвигом 82.1 м. д., сигнал ядер углеродов C-1, расположенных в одном глюкопиранозном цикле вместе с C-2, при 100.3 м. д. и сигнал ядер C-1 с химическим сдвигом 102.3 м. д.
Важно, что в спектре 13С мы не наблюдали появления в слабом поле дополнительных сигналов от углеродов С-6, а фиксировали появление в слабом поле, наряду с сигналами незамещенных углеродов С-1 и С-2, сигналы ядер углеродов C-2, несущих гидроксипропильные фрагменты, и сигналы ядер углеродов C-1, расположенных в одном глюкопиранозном цикле вместе с C-2, то есть гидроксипропильные заместители у соединения 54 находятся преимущественно в положениях при С-2.
Этерификацию проводили в растворе ДМФА/бензол при температуре 120–130 C в течение 3 ч в присутствии каталитических количеств серной кислоты. Оказалось, что при использовании 7 мольных эквивалентов указанных кислот образуются замещенные только по первичным гидроксильным группам продукты 55–59 с разной степенью этерификации (х), выделенные с хорошими выходами (таблица 2.5). Попытки более глубокой этерификации приводили лишь к накоплению побочных продуктов.
Следует отметить, что продукты 55–59 представляют собой не индивидуальные соединения, а смесь изомеров положения с различным расположением гидроксипропильных остатков (у производного 54) и OR остатков (у производных 55–59). Среднюю степень замещения (х) подтверждали данными элементного анализа и спектроскопии ЯМР 1Н, а регионаправленность замещения по первичным гидроксильным группам – данными спектроскопии ЯМР 13C (рисунок 2.5). В спектрах ЯМР 13C соединений 55–59 присутствуют сигналы ядер незамещенных атомов C-6 при 60.5 м. д., а также характерные слабопольные минорные сигналы ядер атомов углерода С-6, несущих заместитель OR, при 63.6 м. д. (см. экспериментальную часть). При этом появления дополнительных сигналов от ядер атомов углеродов C-2, C-3 и углеродов гидроксипропильных остатков, несущих гидроксильные группы, не наблюдалось, то есть вторичные гидроксильные группы не затрагивались при этерификации.
Как и для производного 54, для соединений 55–59 положения гидроксильных протонов уточнялись по смещению сигнала при регистрации спектров раствора того же образца при повышенной температуре (80 С), а правильность отнесения положений сигналов в спектрах ЯМР 1Н и 13С дополнительно подтверждалась анализом спектров двумерной спектроскопии ЯМР HOMOCOR {1Н–1Н}, HETCOR {1Н–13С} и регистрацией спектра в режиме DEPT (рисунок 2.5) [298].
Таким образом, мы показали, что гидроксипропилированный -циклодекстрин, обладающий повышенной растворимостью в воде и меньшей токсичностью по сравнению с исходным -циклодекстрином, может служить основой для получения перспективных для фармакологии конъюгатов с рядом ароматических кислот.
Соединения включения -циклодекстрина с некоторыми моно- и дикарбоновыми кислотами
Благодаря способности к инкапсулированию гидрофобных веществ -циклодекстрин нашел важное применение в фармакологии, как «контейнер» лекарственных соединений, что, помимо защиты включенного «гостя» от биоразложения и повышения водорастворимости, в ряде случаев способствует эффективной и избирательной доставке лекарства в нужное место (targeting site delivery) (см., например, обзоры [324, 205, 325, 252]). Устойчивость комплексов включения зависит от размера и полярности «гостя», природы среды, температуры и других факторов.
Ранее в нашей группе были предложили практические пути получения стабильных при хранении и эксплуатации соединений включения циклодекстринов с некоторыми ароматическими монокарбоновыми кислотами, дигидроксифенолами различного строения, содержащими как конденсированные ароматические ядра с разной ориентацией гидроксильных групп, так и бисфенолы, связанные мостиком разной длины и природы, и определили влияние размера полости, природы растворителя, характера и количества заместителей на циклодекстриновом каркасе на возможность выделения комплексов в индивидуальном виде [244, 326, 327].
На данном этапе нашей работы мы рассмотрели возможность образования стабильных (выделяемых и устойчивых при длительном хранении в стандартных условиях) комплексов включения -циклодекстрина 1 с некоторыми нестероидными противовоспалительными препаратами из группы производных пропионовой кислоты, обладающих болеутоляющим и жаропонижающим действием: 2-(3-бензоилфенил)пропионовой 44 (лекарственное средство препарата Кетопрофен) и 2-(6-метоксинафталин-2-ил)пропионовой 45 (лекарственное средство препарата Напроксен) кислотами, а также представляющими фармакологический интерес дикарбоновыми кислотами алифатического (щавелевой 71, малоновой 72, янтарной 73, адипиновой 74, малеиновой 75, фумаровой 76) и ароматического (фталевой 77, изофталевой 78, терефталевой 79) ряда.
Особенностью выбранных соединений является их гидрофобная (алифатическая или ароматическая) центральная часть, содержащая на краях молекулы гидрофильные карбоксильные группы. Известно, что по своей природе циклодекстрины гидрофобны «внутри» и гидрофильны по «краям», что должно способствовать образованию прочных комплексов включения с вышеперечисленными «гостями» [328].
Соединения включения получали путем совместного растворения -циклодекстрина 1 и соответствующего стехиометрического количества «гостя» 44, 45, 71–79 в воде при 70 с последующим охлаждением до 20 и медленным упариванием раствора в эксикаторе над P2O5. Выпавший осадок отделяли фильтрованием, промывали минимальным количеством воды и ацетоном или диэтиловым эфиром для удаления возможно выпавшего свободного «гостя» и сушили в вакууме. Следует иметь в виду, что в растворе возможно существование и лабильных комплексов включения, то есть находящихся в равновесии с исходными соединениями. Однако, нас интересовала возможность образования стабильных в индивидуальном виде соединений включения.
Оказалось, что при использовании в качестве «гостя» нестероидных противовоспалительных препаратов из группы производных пропионовой кислоты 44, 45 -циклодекстрин 1 в данных условиях независимо от стехиометрического соотношения реагентов образует комплекс включения и с кетопрофеном 81 (рисунок 2.10), и с напроксеном 82 состава 1:1.
С предельными дикарбоновыми кислотами -циклодекстрин 1 в данных условиях ведет себя по-разному. Так, щавелевая кислота 71 не образует комплекс включения, о чем свидетельствует температура разложения осадка: при 260 вещество темнело, не расплавляясь (т.е. -циклодекстрин). Малоновая кислота 72 также не образует соединение включения: по данным спектроскопии ЯМР 1H выпавшее вещество представляло собой чистый -циклодекстрин, не содержащий включенного «гостя».
Янтарная кислота 73, имеющая более длинную углеводородную цепочку между карбоксильными группами, вступает в реакцию комплексообразования с циклодекстрином: при соотношении реагентов 1:1 образуется комплекс 83 состава 1:1, а при соотношении реагентов 2:1 выпадает комплекс 84 состава 2:1, в котором две молекулы -циклодекстрина с двух сторон окружали молекулу янтарной кислоты (рисунок 2.11). С адипиновой кислотой 74 в данных условиях независимо от стехиометрического соотношения реагентов образует комплекс включения 85 состава 2:1.
На базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Дальневосточный федеральный университет» проводились фармакологические испытания комплекса включения 84 -циклодекстрина с янтарной кислотой состава 2:1 (см. приложение 2). Результаты тестирования в универсальной проблемной камере показали, что под влиянием данного соединения в значительной степени изменяется показатель когнитивной сферы поведенческой активности и в меньшей степени изменяются мотивационно-энергетические показатели. Комплекс 84 в дозе 10 мг/кг достоверно изменяет показатели когнитивной сферы (преимущественно) в универсальной проблемной камере у лабораторных животных, оказывая ноотропное воздействие. В ряду веществ сравнения (янтарная кислота, Mexidol) по степени влияния на когнитивную сферу эффект комплекса включения -циклодекстрина с янтарной кислотой 84 приближен к аналогичному у вещества Mexidol; но данный комплекс потенциально активизирует механизмы декларативной памяти у лабораторных животных в эксперименте.
Для рассмотрения влияния пространственной организации молекулы «гостя» на возможность образования соединений включения с -циклодекстрином мы выбрали два изомера: малеиновую кислоту 75, имеющую цис-строение, и фумаровую кислоту 76, имеющую транс-строение. Оказалось, что только малеиновая кислота 75 образует комплекс включения 86 состава 2:1 (рисунок 2.12).
Таким образом, пространственное строение «гостя» оказывает существенное влияние на возможность комплексообразования.
Ароматические дикарбоновые кислоты 77–79 в данных условиях независимо от стехиометрического соотношения реагентов не образуют устойчивые комплексы включения, которые можно выделить в индивидуальном виде, хотя в растворе они, возможно, и существуют.
Индивидуальность предполагаемых комплексов проверяли методом ТСХ (таблица 2.8) состав и строение подтверждали данными элементного анализа и спектроскопии ЯМР 1H, сопоставляя интегральные интенсивности сигналов протонов циклодекстринового остова в области 3.10–3.75 м. д. и включенного соединения (см. экспериментальную часть).