Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №18/2004

НОВОСТИ НАУКИ

Лекарство, бьющее в цель

Что не излечивают лекарства,
то излечивает железо,
что не излечивает железо,
то излечивает огонь.

Гиппократ

Одна из характерных примет современной науки – объединение различных научных дисциплин для решения сложных задач. Рассказ пойдет о том, как важная проблема свела воедино усилия химии, медицины и радиационной биологии.
В 1898 г. супруги Пьер и Мария Кюри открыли радий – химический элемент с исключительно мощным радиоактивным излучением. Уже через год они стали изучать действие радиоактивного излучения на живые ткани и затем ввели в медицинскую практику облучение препаратами радия для борьбы с опухолевыми клетками. Радий также определил название нового метода лечения. По существу появилась новая область медицины – радиотерапия. Радий стал, пожалуй, единственным в истории химии элементом, который вдохновил научный мир на создание специальных институтов. В 1914 г. в Париже, а позже в Варшаве и Вене возникли радиевые институты. В начале 1922 г. такой институт во главе с академиком В.И.Вернадским был создан в Петрограде. Там же было организовано лечение онкологических заболеваний.
Одновременное действие трех видов радиоактивного излучения (-, - и -лучей), 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 (называемые в быту облучением) также вызывают беспокойство и у больных, и у лечащих врачей, поскольку все прекрасно понимают, что радиоактивное излучение, поражая здоровые ткани, может в конечном итоге привести к лучевой болезни.

От грубых инструментов к утонченным

Научный подход к решению этой проблемы формировался постепенно. Основное направление помогли указать интенсивные исследования в ядерной физике. В 1934 г. был обнаружен процесс захвата нейтрона ядром, сопровождавшийся испусканием -кванта (Дж.Ли). Дальнейшее изучение этого процесса с участием различных ядер и их последующих превращений привело в 1936 г. 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 нейтронов). При этом атом бора, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп, который распадается с образованием лития (абсолютно безвредного), выбрасывая при этом -квант и -частицу (ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона).

При этом, как видно из схемы, суммарное количество частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным. Числовой индекс у символа химического элемента – это массовое число, т. е. сумма протонов и нейтронов в ядре.
Энергия выделяющихся -квантов невелика, и они не оказывают ни лечебного, ни разрушающего действия. В данном случае основной «лечебный инструмент» – именно -частицы. Они обладают тем преимуществом, что имеют крайне низкую длину пробега, соизмеримую с размером клетки. В результате -частица, возникшая за счет ядерной реакции в опухолевой клетке, не выйдет за пределы клетки и не затронет здоровые ткани.
Другая сторона вопроса не менее важна: не затронет ли нейтронное излучение, необходимое для формирования изотопов бора, также здоровые клетки? В данном случае использование бора как потенциального источника -частиц не случайно. Дело в том, что способность атомов бора захватывать нейтроны на 4–7 порядков выше, чем у атомов, входящих в состав тканей живых организмов, т.е. C, H, O, N. Таким образом, нейтронное излучение не будет оказывать на них разрушающего действия. Практически все поступающие нейтроны будут захвачены бором.

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 прежде всего потому, что не позволяют получить достаточно высокую концентрацию атомов бора в тканях. Кроме того, они не обладают избирательной способностью накапливаться преимущественно в опухолевых клетках.
Таким образом, возникла проблема получения соединений, лишенных указанных недостатков. Поиск соединений с большим числом атомов бора в молекуле неизбежно привел к каркасным гидридам бора, среди которых наиболее известен орто-карборан, ставший эмблемой химии бора в конце ХХ столетия (см. статью «Выдающиеся соединения органической химии», № 44/1999).
Его появление буквально открыло в химии новую главу, посвященную каркасным бороводородам – соединениям, которые построены с помощью нетрадиционных трехцентровых связей.
На приведенном справа рисунке линии, связывающие атомы, не обозначают химические связи, они лишь помогают представить внешнюю форму каркаса молекулы.
Природу связей в таких соединениях можно проанализировать на более простом примере, рассмотрев строение бороводорода Н3B–ВН3, содержащего всего два атома бора.
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 бора BH3 у атома бора нет электронов для образования дополнительных связей. В таком случае не ясно, как же соединены атомы бора в В2Н6 или В4Н10, поскольку бор в отличие от углерода трехвалентный.
Понятно, что классические представления, где два атома связаны одной парой электронов, в данном 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, приведенном ниже, показано, как сферическая s-орбиталь атома водорода перекрывается одновременно с двумя вытянутыми гибридными орбиталями двух атомов бора (орбиталь дает представление о наиболее вероятном расположении электрона в пространстве, проще говоря, об электронном облаке определенной формы). Образуется две таких 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 при этом электрона для образования связи не поставляет, а участвует в ней своей вакантной 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, следующим образом:

При этом водород становится как бы двухвалентным, что выглядит совершенно необычно. Однако химики понимают, что это трехцентровая связь, 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, например в каркасных бороводородах. Именно так связаны атомы бора в орто-карборане. Каждый атом бора предоставляет для образования связей четыре орбитали (четвертая орбиталь вакантная) и три электрона. В орто-карборане присутствуют еще два атома углерода, они также участвуют в образовании трехцентровых связей и составляют неотъемлемую часть каркаса.
Обычные (концевые) атомы водорода, входящие в состав орто-карборана, не принимают участия в образовании трехцентровых связей.
Превращения карборана изучены весьма детально, и потому вопрос о направленной его химической модификации для решения намеченной задачи может быть решен без особо изнурительных поисков, что делает карборан особенно привлекательным для химиков-органиков.

Поиск оптимального решения*

Исследования показали, что в аспекте поставленной задачи орто-карборан имеет ряд недостатков. Прежде всего соединение гидрофобно, что затрудняет его введение в ткани живого организма. В результате возникает необходимость дополнительно вводить различные гидрофильные группы, которые позволяют в конечном итоге получить водорастворимый препарат.
Этот недостаток отсутствует у соединения [B12H12]2–, содержащего 12 атомов бора (додекаборат-анион).
Его молекула представляет собой многогранник с такой же структурой, что и у его знаменитого «родственника» – орто-карборана С2Н2B10H10. Додекаборат-анион обладает рядом преимуществ, позволяющих считать его более предпочтительным для решения поставленной задачи. Во-первых, он содержит большее количество атомов бора, чем карборан. Во-вторых, способы его получения весьма многочисленны (он образуется в том или ином количестве практически при всех пиролитических реакциях бороводородов), что позволяет легко получать его в нужных количествах. В-третьих, анион [B12H12]2– гидрофилен (водорастворим) и обладает низкой токсичностью.
Однако в отличие от карборана реакции замещения в этом соединении изучены в меньшей степени. Поэтому необходимо было разработать методы синтеза производных додекаборат-аниона.
Природу вводимых функциональных групп, которые должны обеспечить накопление препарата в опухолевых клетках, позволил определить тот опыт, который накопили к этому времени биохимики. Наиболее предпочтительны для решения задачи аминогруппы (NH2), цианатные (NCO), карбоксильные (СООН) и изотиоцианатные (SCN) группы.
Помимо того, важно, как именно должны располагаться вводимые функциональные группы относительно боранового каркаса. Чтобы устранить пространственные затруднения, которые создает додекаборатное ядро, необходимо располагать активную группу, обеспечивающую связь с биомолекулами, на некотором удалении от каркаса, отодвинув ее с помощью цепочки из 3–5 атомов.
По замыслу вся эта конструкция для охоты за опухолевыми клетками должна напоминать удочку с поплавком (борановым ядром) и расположенным на некотором удалении крючком – активной функциональной группой.


* Все последующие разделы статьи написаны по результатам работ проф. В.И.Брегадзе с сотрудниками (ИНЭОС РАН).

От намеченных планов к реализации

В отличие от упоминавшегося ранее орто-карборана химия додекаборат-аниона изучена не столь детально. Удалось разработать удобный препаративный метод присоединения различных алкоксигрупп к борановому каркасу при действии тетрагидрофурана (ТГФ) в присутствии катализатора – комплекса BF3•Et2O. На первой стадии молекула ТГФ присоединяется к додекаборановому ядру.
Затем при действии различных реагентов цикл ТГФ раскрывается и образует тетраметиленоксидную цепочку –O(CH2)4–.
Указанный метод позволил получить соединения, содержащие различные функциональные группы (аминогруппу, карбоксильную группу либо остаток аминокислоты), отодвинутые от додекаборанового ядра с помощью удлиняющей ветви.
Поскольку заранее не было известно, какой состав удлиняющих цепей позволит получить наиболее эффективный препарат, целесообразно было синтезировать возможно более широкий набор подобных соединений.
Более детальное исследование химии додекаборат-аниона позволило разнообразить стратегию синтеза, присоединяя удлиняющие ветви с функциональными группами не через атом кислорода, а через атом азота, и при этом вводить в состав ветви ароматическое ядро.
Стартовой площадкой послужил все тот же додекаборат-анион (рис. справа). Полученный на его основе аминододекаборат-анион переводили в основание Шиффа (соединение, содержащее фрагмент –N=CHR).

При восстановлении оснований Шиффа возникала бензиламиновая удлиняющая ветвь
–NH2CH2C6H4–.
В итоге диапазон вводимых групп еще больше расширился. В частности, удалось ввести изотиоцианатную группу NCS, которая, как выяснилось, наиболее эффективна для связывания с различными белками и предпочтительна для селективной доставки атомов бора в опухолевую клетку.

Для эффективного лечения недостаточно усилий только химиков, необходимо совместное участие биохимиков, онкологов и физиков-ядерщиков (на стадии нейтронного облучения). Сам метод, несмотря на его давнюю историю, лишь в наши дни приблизился к тому, чтобы быть испытанным на людях. Ниже показан снимок спаниеля с опухолью на верхней губе и рядом снимок той же собачки после лечения.

I

Лечебный препарат был создан в Институте биофизики, а затем подвергнут облучению в реакторе МИФИ.
В среде ученых, принимавших участие в эксперименте, эта собачка не менее знаменита, чем разрекламированная на весь мир клонированная овечка Долли.
Не все синтезированные препараты на сегодня прошли полные испытания, но мысль исследователя, как обычно, идет далее. Поскольку успех лечения, как было упомянуто выше, во многом зависит от количества атомов бора в молекуле, был реализован синтез препаратов следующего поколения с заметно более высоким содержанием бора.
Удалось объединить две упомянутые ранее каркасные молекулы – додекаборановое ядро и орто-карборан, связав их в единую систему, содержащую 22 атома бора (почти рекордное количество). Соединяющий мостик – тот же фрагмент –O(CH2)4–, который был использован в предыдущих синтезах.

Естественно, что в аспекте поставленной задачи в подобном соединении необходимо предусмотреть наличие активной функциональной группы. В таком варианте возможности явно расширяются, поскольку введение группы может быть проделано с использованием как атомов бора, так и незадействованного пока второго атома углерода в орто-карборане.
Найден также принципиально иной способ объединения орто-карборановых молекул – с помощью атома металла, входящего в структуру одновременно двух многогранников. Введение функциональных групп, необходимых для последующего связывания с биомолекулами, удалось осуществить по той же схеме, что была показана ранее, где в качестве удлиняющей ветви использован фрагмент –O(CH2)4– (рис. справа). Поскольку все полученные соединения имеют ионный характер, проблема гидрофобности карборанового ядра в данном случае снята.
Синтез показанных соединений достаточно трудоемкий, но если последующие опыты покажут, что они обладают принципиально более высоким лечебным эффектом, то их производство будет налажено.

Иные «грани» многогранников

Помимо боронейтронозахватной терапии существуют также чисто терапевтические методы лечения онкологических заболеваний, причем именно такая практика наиболее широко распространена. В настоящее время для этой цели применяют различные препараты, например цисплатин (комплексное соединение платины) и 5-фторурацил. Недавние исследования показали, что особенно эффективно уничтожают раковые клетки органические производные олова, но в отличие от упомянутых соединений они токсичны.
Оказалось, что бороводородные многогранники обладают еще одним замечательным свойством – они резко снижают токсичность соединений олова, сохраняя их противораковую активность. Наиболее эффективным оказалось производное мета-карборана, в котором в отличие от орто-карборана атомы углерода не соседствуют, а разделены атомами бора (рис. справа). Мета-карборанкарбоновая кислота взаимодействует с оксидом дибутилолова, образуя соответствующий карборанкарбоксилат олова.
Это соединение в 30–40 раз (в зависимости от типа опухолевых клеток) более эффективно, чем препараты цисплатин или фторурацил, клинически используемые в настоящее время для лечения меланомы, а также опухолевых заболеваний молочной железы или 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, содержащее рентгеноконтрастную добавку, обычно это изотоп йода 125I. Вещество к тому же должно обладать способностью накапливаться в больных тканях. Общая схема несколько напоминает ту, что используют в боронейтронозахватной терапии.
Принятый на сегодня метод основан на введении в организм различных специфических аминокислот, содержащих изотоп йода 125I. 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 значительно 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 наиболее эффективная.

В перспективе намечено использование каркасных бороводородов для лечения ревматоидных артритов методом боронейтронозахватной терапии, что может составить конкуренцию современным хирургическим методам или даже полностью их заменить.

* * *

Несомненно, что химия бороводородов, богатая и интересная сама по себе, приложима не только к решению медицинских проблем. Например, показанное ранее производное кобальтокарборана в настоящее время применяют для экстракции радиоактивных изотопов цезия и стронция из различных отходов ядерных производств, а Sn-, As- и Sb-производные карборанов можно использовать в микроэлектронике.
Можно полагать, что потенциал каркасных бороводородов еще не исчерпан и будут найдены новые области, где они сумеют продемонстрировать свои уникальные возможности.

М.М.ЛЕВИЦКИЙ