Взрыв звезды,. или Дендримеры специального назначения

В середине 80-х годов были синтезированы полимеры, ветвящиеся в виде лучей взрывающейся сверхновой. Их разработчик, Д.Томалиа, так их и назвал – «star burst» («взрыв звезды»). Это было заметное открытие в истории полимерной химии, поскольку до тех пор полимеры были известны лишь в виде длинных цепей. Конечно, в то время уже были известны замысловатые трехмерные переплетения в виде РНК и ДНК, тем не менее эти молекулы линейны. Было также известно, что ветвиться могут полисахариды (крахмал, гликоген), некоторые жиры (триглицериды), но новые полимеры стали сенсацией.

Молекула такого дендримера представляет собой шароподобную структуру, разветвляющуюся по всем направлениям. Если обычная полимерная молекула, представляя собой длинную цепь неразветвленных мономерных звеньев, по мере движения, например теплового движения в растворе, сталкивается с другими атомами или молекулами и потому может менять свои размеры и форму за счет некоторой подвижности химических связей основной цепи (вращения и растяжения/сжатия), то молекулы дендримеров имеют жестко фиксированную форму и размеры. Они образуют молекулярные растворы, способные к дальнейшим превращениям, в то же время они могут образовывать тонкие слои, которые невозможно получить из классического полимера. Таким полимерам было предсказано будущее материалов специального назначения. С течением времени выяснилось, что архитектурное богатство дендримерных структур практически безгранично, так же как их функции и области использования. В частности, полимерные дендримеры на базе полисопряженных молекул могут служить молекулярно-энергетическими антеннами, собирающими энергию оптического (в том числе солнечного) возбуждения и преобразующими ее в фототок. Имея совершенную сферическую форму, они нашли применение в качестве компонентов смазочных материалов. Из дендримеров можно «плести» наносферы заданного размера – от 1 до 10 нм, к которым можно «крепить» самые разнообразные молекулы, что применимо для адресной доставки веществ (в онкологии, например, в наносферу, как в контейнер, можно заключить молекулы маркера раковых клеток для их идентификации или лекарственного средства). В числе препаратов, которые могут транспортироваться путем связывания с дендримерами, – нестероидные противовоспалительные средства, противомикробные и противовирусные агенты, предшественники лекарств и скрининговые агенты для дизайна лекарств. Ученые научились удерживать на поверхности дендримеров ионы металлов (с помощью хелатных групп) – такие метки на основе гадолиния и магния используются в качестве контрастных агентов в магнитно-резонансной томографии. Дендримеры также могут служить платформой для создания новых противовирусных средств, основанных на поливалентном связывании вирусных частиц со специфическими распознающими элементами на поверхности дендримера (лекарственной формой с противовирусной активностью на основе полилизинового дендримера является вагинальный гель, предотвращающий передачу вирусов иммунодефицита человека (ВИЧ) и герпеса). Наконец, они используются для транспортировки генов, что применимо в генетической терапии будущего.КлассикаИсходный центр дендримера при его построении – продукт реакции аммиака с метилакрилатом по реакции Михаэлиса. При добавлении в среду избытка этилендиамина проходит процесс полимеризации, при котором в результате первой стадии на концах молекулы образуются свободные аминогруппы, каждая из которых соединяется с двумя дополнительными мономерами метилакрилата, а они, в свою очередь, соединяются с двумя молекулами этилендиамина (группа Томалиа).На рисунке 1 видно, что дендример синтезируется послойно и напоминает дерево, корень которого находится в центре сферической частицы, а крона покрывает всю поверхность (греч. dendron – дерево). Таким образом, традиционный метод синтеза обычно подразумевает использование одного вида мономеров и их последовательный рост со стадиями активации. Однако в любом случае количество последовательных стадий, конечно, ограничено, поскольку в определенный момент образуется столь плотная упаковка из мономеров, что это препятствует дальнейшему протеканию реакции полимеризации. В частности, в слое девятого поколения дендримера содержится уже 3069 мономеров, а диаметр такой молекулы составляет ~10 нм. Следует отметить, что на практике применяются чаще всего дендримеры четвертого поколения.Сверхразветвленные дендримеры можно получать одноступенчатым синтезом. Первый синтез такого рода был проведен с использованием в качестве исходного соединения перфторированного фенилгермана, который прореагировал с триэтиламином, в результате чего образовался звездно-разветвленный дендример (группа Бочкарева).      СегодняСейчас разработаны две стратегии синтеза, отвечающие дивергентной и конвергентной схемам. Согласно первой – макромолекулы дендримера формируются путем последовательного наращивания сферических слоев, согласно второй – сначала формируются отдельные дендроны (кроны), а затем они присоединяются к ядру макромолекулы.Возможности синтеза в плане архитектуры и химического состава создаваемых полимеров существенно расширяются при совместном использовании дивергентной и конвергентной схем. Так были синтезированы кремнийорганические дендримеры, то есть к олигомерному дендримеру, полученному дивергентным путем, были присоединены мономеры, созданные по ковергентной схеме.К сожалению, в классическом синтезе есть одно «но» – в ходе полимеризации нежелательные побочные реакции приводят к образованию примесей, потому для выделения дендримера высокого качества требуется дорогостоящая очистка. Для решения этой проблемы шведские ученые разработали вид синтеза с поочередным использованием двух мономеров (см. рисунок 2), что позволяет обходиться без стадии активации и не приводит к образованию значительного количества побочных продуктов.Несомненно, что масштабы применения дендритоподобных полимеров в значительной мере будут определяться развитием экономически выгодного одностадийного метода синтеза. ЗавтраГенетическая терапия – одно из самых перспективных направлений мировой клинической медицины (в Китае, например, официально разрешена аденовирусная генетическая терапия, несмотря на ее потенциальные риски). Одним из препятствий ее развития является не до конца решенная проблема доставки генетического материала (ДНК, РНК, олинонуклеотидов) к конкретным органам и тканям, а иногда и клеткам. На сегодня она может осуществляться вирусными и невирусными системами доставки (векторы), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. В частности, используется синтетическая система доставки, которая, хотя и характеризуется меньшей эффективностью, более безопасна. Наиболее широко используемая сегодня система – комплексы нуклеиновых кислот с липосомами и различными катионными дендримерами (дендриплексы). Дедримеры обладают такими преимуществами, как монодисперсность, стабильность, сравнительно низкая вязкость при высоком молекулярном весе, множество концевых групп, которые можно ионизировать и эффективно связывать с большим количеством молекул нуклеиновых кислот. Первые исследования подобного рода были проведены в 90-х годах прошлого столетия с использованием полидоамидоаминных дендримеров, и, как выяснилось, эффективность доставки таким путем в 10-100 раз превышала эффективность коммерчески доступных катионных липидов, которые в настоящее время используются в лабораториях всего мира.В лечении злокачественных новообразований уже используются дендримеры для направленной доставки ДНК, которая обеспечивает повышенный внутриклеточный синтез заданных генов. Например, in vivo доставка ДНК ангиостатина и гена тканевого ингибитора металлопроиназы внутрь клетки с использованием катионного полиамиламина (синтетический дендример) в присутствии анионного олигомера позволила увеличить эффективность синтеза упомянутых генов в опухолевой области молочной железы и таким образом ингибировать рост опухоли с помощью контроля ангиогенеза. Также установлено, что помимо доставки в клетку ДНК для синтеза генов можно переносить одноцепочечные антисмысловые олигодеоксинуклеотиды для блокировки мРНК, тем самым блокируя трансляцию кодирующих заболевание генов. Олигонуклеотиды сами по себе плохо переходят через клеточные мембраны и быстро разрушаются внутриклеточными нуклеазами, поэтому в системах доставки задействованы дендримеры (полидоамидоаминные и карбозилановые).Помимо этого, с открытием механизма РНК-интерференции появилась возможность регулировать уровень экспрессии генов и таким образом изучать функциональную геномику эукариот, для чего доставка малых интерферирующих РНК в клетку производится с помощью дендриплексов, имеющих низкую токсичность (например, используются карбозилановые дендримеры 1-2-го поколений и полидоамидоаминные дендримеры 7-го поколения).Следует отметить, что риски применения дендримеров в человеческом организме пока слабо исследованы. Известно лишь, что основным органом накопления наночастиц являются легкие. Токсическим эффектом обладают катионные дендримеры, запускающие механизм гибели клеток в виде аутофагии (образование специальных органелл с двойной мембраной, в которых клетка «переваривает» себя саму по частям). Открытый на сегодня ингибитор подобного самоубийства клеток – 3-метиладенин, к сожалению, в организме человека чрезвычайно нестабилен, однако нанобиомедицина обладает невероятными возможностями в решении подобных проблем и соответственно лечении вирусных заболеваний и рака.            Дополнительная литератураH. Yang, W.J. Kao. Dendrimers for pharmaceutical and biomedical applications. // Journal of Biomaterials Science. Polymer Edition, 2006, V. 17, №1-2, p. 3-19.Ю.Д.Семчиков. Дендримеры – новый класс полимеров // Соросовский Образовательный Журнал, 1998. №12. C. 45-51.Биологически активные и/или целевые дендримерные конъюгаты. Патент РФ 2127125 от 10.03.1999, http://ru-patent.info/21/25-29/2127125.html http://www.nano.med.umich.edu/Platforms/Dendrimers-Introduction.html – англоязычный ресурс Мичиганского нанотехнологического института медицины и биологических наук.​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук