УДК 615.84:616.012
DOI: https://doi.org/10.52540/2074-9457.2021.3.64
Е. А. Дикусар1, А. Л. Пушкарчук1, Т. В. Безъязычная1, Е. А. Акишина1, А. Г. Солдатов2, С. А. Кутень3, С. Г. Стёпин4, А. П. Низовцев5, С. Я. Килин5, Л. Ф. Бабичев6, В. И. Поткин1
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ РАДОНОСОДЕРЖАЩИХ АГЕНТОВ РАДИОНУКЛИДНОЙ ТЕРАПИИ
1 Институт физико-органической химии НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь
2 Научно-практический центр по материаловедению НАН Беларуси, г. Минск, РеспубликаБеларусь
3 Институт ядерных проблем БГУ, г. Минск, Республика Беларусь
4Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет, г. Витебск, Республика Беларусь
5 Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь
6 Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны НАН Беларуси, д. Прилесье, Минский р-н, Республика Беларусь
Одним из методов лечения онкологических заболеваний является использование короткоживущих радионуклидов. При этом существующие риски интоксикации и радиоактивного заражения можно исключить, помещая короткоживущий изотоп радона в прочную фуллереновую оболочку. Для повышения эффективности этих препаратов перспективным является введение структурных фрагментов аминокислот, пептидов, стероидных гормонов, нуклеиновых оснований или гетероциклических соединений, способных накапливаться именно в опухолевых, а не в здоровых тканях организма. В статье представлены данные по квантово-химическому моделированию электронной структуры и термодинамической устойчивости фуллереновых радонсодержащих агентов радионуклидной терапии на примере модельного кортизонофуллеренолового биоконъюгата.
Ключевые слова:
DFT-моделирование, изотоп радона, кортизон, фуллереноловые кластеры, агенты терапии опухолевых новообразований.
SUMMARY
E. A. Dikusar, A.L. Pushkarchuk,
T.V. Bezyazychnaya, E.A. Akishina,
A.G. Soldatov, S.А.Kuten, S.G. Stepin, A.P. Nizovtsev, S.Ya. Kilin, L.F. Babichev, V.I. Potkin
PROSPECTS FOR CREATING RADON CONTAINING AGENTS IN RADIONUCLIDE THERAPY
One of the methods for treating oncological diseases is application of short-lived radionuclides. Existing risks of intoxication and radioactive contamination can be eliminated by introduction of a short-lived radon isotope into a hard strong fullerene coat. To increase the effectiveness of these drugs it is promising to introduce structural fragments of amino acids, peptides, steroid hormones, nucleic bases or heterocyclic compounds being able to accumulate exactly in tumoral but not in healthy tissues of the body. The article presents data on quantum-chemical simulation of electronic structure and thermodynamic stability of fullerenol radon-containing agents of radionuclide therapy on the example of a model cortisonefullerenol bioconjugate.
Keywords:
DFT-simulation, radon isotope, cortisone, fullerenol clusters, agents for the treatment of tumoral neoplasms.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Овчинников, В.А. Современные методы лучевого лечения онкологических больных / В.А. Овчинников, К.Н. Угляница, В.Н. Волков // Журн. Гродненского гос. мед. ун-та. – 2010. – № 1. – С.93–97.
2. Handbook of Radiationtherapy Physics: Theory and Practice / ed.: P. Mayles, A.Nahum, J. C. Rosenwald. – New York ; London: Taylon & Francis, 2007. − 1450 p.
3. Hosmane, N. S. Boron and Gadolinium Neutron Capture Therapy for Cancer Treatment / N. S. Hosmane, J. A. Maquire, Y. Zhu. – [S. l.]: World Scientific Publ. Co., 2012. − 300 p.
4. Оценка возможности использования эндоэдрических радон-222-содержащих производных бакминстерфуллеренов С60 и С80 в качестве нанороботов-истребителей опухолевых новообразований / Е.А. Дикусар [и др.] // Вестн. фармации. – 2012. − № 4. − С. 102–105.
5. Эндоэдрические радон-222-содержащие производные бакминстерфуллеренов С60 и С80 / Е.А. Дикусар [и др.] // Углеродные наночастицы в конденсированных средах: сб. науч. ст. − Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова НАН Беларуси, 2013. − С.246−250.
6. Quantum-Chemistry Projecting of the Radionuclide Carborane and Fullerene Nano-Cluster Agents for Diagnostics and Therapy of Oncological Diseases / E.A. Dikusar [et al.] // Physics, Chemistry and Application of Nanostructures: proc. of International Conf. Nanomeeting – 2013 : reviews and short notes, Minsk, Belarus, 24–27 may 2013 y. / ed.: V.E. Borisenko [et al.]. – Minsk, 2013. – P. 324–327.
7. Квантово-химическое проектирование радионуклидных агентов для диагностики и терапии опухолевых новообразований / Е.А. Дикусар [и др.] // Вестн. Тверского гос. ун-та. Сер. Физика. – 2013. – № 21. – С. 69–81.
8. Quantum chemical designing of endohedral containing Po210 derivatives of buckminsterfullerene C60 – C80 for development of radionuclide nanosized agents for cancer therapy / E.A. Dikusar [et al.] // Nonlinear Dynamics and Applications: proc. of the 21-th Annual Seminar NPCS’2014, Minsk, 20-23 may 2014 y. / ed.: L. F. Babichev, V. I. Kuvshinov, V. A. Shaparau. – Minsk, 2014. – Vol. 20. – P. 50–55.
9. Компьютерное проектирование методом DFT эндоэдрических Po210-содержащих фуллеренов С60–С80 в качестве радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Наноструктуры в конденсированных средах: сб. науч. ст. – Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2014. – С. 275–280.
10. Квантово-химическое проектирование эндоэдрических индийсодержащих производных бакминстерфуллеренов С60 и С70 для разработки радионуклидных наноразмерных агентов-истребителей опухолевых новообразований / Е.А. Дикусар [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В. М. Самсонова, Н. Ю. Сдобнякова. – Тверь: Тверской гос. ун-т, 2014.– Вып. 6. – С. 105–115.
11. Дикусар, Е.А. Квантово-химическое моделирование структуры холестеринсодержащих радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар // Междунар. науч. ин-т «Educatio». – 2015. – № 2, ч. 4. – С. 72–75.
12. Квантово-химическое проектирование эндоэдрических бакминстерфуллереновых кластеров на основе бисфуллеренола для создания радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Междунар. науч.-исследоват. журн. – 2015. – № 5, ч. 1. – С. 35–41.
13. Квантово-химическое проектирование эндоэдрических бисбакминстерфуллереновых кластерных систем для разработки нанокапсулированных радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Тверской гос. ун-т, 2015. – Вып. 7. – С.193–207.
14. Квантово-химическое проектирование эндоэдрических бакминстерфуллереновых кластерных систем для создания радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Вестн. фармации. – 2015. – № 4. – С. 51–59.
15. Quantum chemical designing of cholesterol containing radionuclide anticancer agents / E.A. Dikusar [et al.] // Functional Materials. – 2016. – Vol. 23, N 2. – P. 274–278.
16. Quantum Chemical Designing of Cholesterol and Estrone Containing Radionuclide Cancer-Fighting Agents / E.A. Dikusar [et al.] // Весцi НАН Беларусі. Сер. хiм. навук. – 2016. – №3. – С.68–69.
17. Квантово-химическое моделирование эстронсодержащих бисфуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Наноструктуры в конденсированных средах: сб. науч. ст. – Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2016. – С. 71–76.
18. Квантово-химическое моделирование строения эстронсодержащих бисфуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2016. – Вып. 8. – С. 110–118.
19. Квантово-химическое моделирование строения метотрексатсодержащих фуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Вестн. фармации. – 2017. – № 1. – С. 52–56.
20. DFT Simulation of Methotrexate Fullerenol Radionuclide Agents of Cancer Therapy E.A. Dikusar [et al.] // Nonlinear Dynamics and Applications. – Минск: Право и экономика, 2017. – Vol. 23. – P. 143–149.
21. Квантово-химическое моделирование метотрексат-фуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е.А. Дикусар [и др.] // Весцi НАН Беларусі. Сер. хiм. навук. – 2019. – Т. 55, № 2. – С. 163–170.
22. Квантово-химическое моделирование эндоэдрических производных фуллеренолокортизона / Е.А. Дикусар [и др.] // Фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах: сб. науч. ст. – Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, 2021. – С. 64–67.
23. Физиотерапия: нац. рук. / под ред. Г.Н. Пономаренко – Москва: ГЭОТАР-Медиа, 2009. – 864с.
24. The ORCA quantum chemistry program package / F. Neese [et al.] // The J. of Chem. Physics. – 2020. – Vol. 152, N 22. – Art. 224108.
25. Sandler, S. I. Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics / S. I. Sandler. – New York: John Wiley & Sons, 2017. − 1040 p.
26. Demerel, Y. Nonequilibrium thermodynamic6: Transport and rate processes in physical, chemical and biological systems / Y. Demerel. − 3rd ed. – Amsterdam ; Oxford: Elsevier Science, 2014. − 792 p.
27. Putz, M. V. DFT chemical reactivity driven by biological activity: applications for the toxicological fate of chlorinated PAHs / M. V. Putz, A. M. Putz // Applications of Density Functional Theory to Biological and Bioinorganic Chemistry / ed.: M. V. Putz, M. P. Mingos. – Berlin: Springer Link, 2013. – P. 181–231.
28. Тетракозагидроксибакминстерфуллеренол – реагент будущего / Е.А. Дикусар [и др.] // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: тез. докл. ХХХI Междунар. науч.-техн. конф. «Реактив-2018», Минск, 2-4 окт. 2018 г. / редкол.: В. Е. Агабеков, В. А. Хрипач, Ж. В. Игнатович. – Минск: Беларуская навука, 2018. – С. 22.
29. Antitumor Activity and Potential Mechanism of Novel Fullerene Derivative Nanoparticles / L. Ye [et al.] // Molecules. – 2021. – Vol. 26, N 11. – Art. 3252.
30.Физер, Л. Стероиды / Л. Физер, М. Физер. – Москва: Мир, 1964. – 982 с.
31. Sundqvist, B. Fullerenes under high pressure / B. Sundqvist // Fullerenes: chemistry, physics, and technology / ed: K. M. Kadish, R. S. Ruoff. − New York: Wiley-Interscience, 2000. – 984 p.
References
1. Ovchinnikov VA, Uglianitsa KN, Volkov VN. Modern methods of radiation treatment of cancer patients. Zhurn Grodnenskogo gos med un-ta. 2010;(1):93–7. (In Russ.)
2. Mayles P, Nahum A, Rosenwald JC, editors. Handbook of Radiationtherapy Physics: Theory and Practice. New York, USA: Taylon & Francis; 2007. 1450 p
3. Hosmane NS, Maquire JF, Zhu Y. Boron and Gadolinium Neutron Capture Therapy for Cancer Treatment. [place unknown]: World Scientific Publ Co; 2012. 300 p.
4. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Rudakov DA, Soldatov AG, i dr. Evaluation of the possibility of using endohedral radon-222-containing derivatives of buckminsterfullerenes C60 and C80 as nanorobots - destroyers of tumor neoplasms. Vestn farmatsii. 2012;(4):102-5. (In Russ.)
5. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Rudakov DA, Soldatov AG i dr. Endohedral radon-222-containing derivatives of buckminsterfullerenes C60 and C80. V: Uglerodnye nanochastitsy v kondensirovannykh sredakh: sb nauch st. Minsk, RB: In-t teplo- i massoobmena im AV Lykova NAN Belarusi; 2013. s. 246−50. (In Russ.)
6. Dikusar EA, Zelenkovski VM, Potkin VI, Rudakov DA, Kuten SA, Soldatov AG. Quantum-Chemistry Projecting of the Radionuclide Carborane and Fullerene Nano-Cluster Agents for Diagnostics and Therapy of Oncological Diseases. In: Borisenko VE, Gaponenko SV, Gurin VS, Kam CH, editors. Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. Proceedings of International Conference Nanomeeting – 2013 : reviews and short notes; 2013 May 24–27; Minsk, Belarus. Minsk, RB; 2013. p. 324–7
7. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Rudakov DA, Soldatov AG, Kuten’ SA. Quantum-chemical design of radionuclide agents for the diagnosis and therapy of tumor neoplasms. Vestn Tverskogo gos un-ta. Ser Fizika. 2013;(21):69–81. (In Russ.)
8. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Kilin SYa, Soldatov AG, Kuten SA et al. Quantum chemical designing of endohedral containing Po210 derivatives of buckminsterfullerene C60 – C80 for development of radionuclide nanosized agents for cancer therapy. In: Babichev LF, Kuvshinov VI, Shaparau VA, editors. Nonlinear Dynamics and Applications. Proceedings of the 21-th Annual Seminar NPCS’2014; 2014 May 20-23; Minsk, Belarus. Minsk, RB; 2014. Vol 20. p. 50-5
9. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Zelenkovskii VM, Kilin SYa, Kuten’ SA, Soldatov AG i dr. DFT computer-aided design of endohedral Po210-containing fullerenes C60 – C80 as radionuclide agents in the therapy of oncological diseases. V: Nanostruktury v kondensirovannykh sredakh: sb nauch st. Minsk, RB: In-t teplo- i massoobmena im AV Lykova NAN Belarusi; 2014. s. 275–80. (In Russ.)
10. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Rudakov DA, Kilin SYa i dr. Quantum-chemical design of endohedral indium-containing derivatives of Buckminsterfullerenes C60 and C70 for the development of nanosized radionuclide agents-destroyers of tumor neoplasms. V: Samsonov VM, Sdobniakov NIu, redaktory. Fiziko-khimicheskie aspekty izucheniia klasterov, nanostruktur i nanomaterialov: mezhvuz sb nauch tr. Tver’, RF: Tverskoi gos un-t; 2014. Vyp 6. s. 105–15. (In Russ.)
11. Dikusar EA. Quantum-chemical modeling of the structure of cholesterol-containing radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. Mezhdunar nauch in-t «Educatio». 2015;(2 Ch 4):72-5. (In Russ.)
12. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Kilin SYa, Soldatov AG i dr. Quantum-chemical design of endohedral buckminsterfullerene clusters based on bisfullerenol for the creation of radionuclide agents for the therapy of oncological diseases. Mezhdunar nauch-issledovat zhurn. 2015;(5 Ch 1):35–41. (In Russ.)
13. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Kilin SYa, Soldatov AG, Kuten’ SA i dr. Quantum-chemical design of endohedral bisbacminsterfullerene cluster systems for the development of nanocapsulated radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. V: Samsonov VM, Sdobniakov NIu, redaktory. Fiziko-khimicheskie aspekty izucheniia klasterov, nanostruktur i nanomaterialov: mezhvuz sb nauch tr. Tver’, RF: Tverskoi gos un-t; 2015. Vyp 7. s. 193–207. (In Russ.)
14. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Potkin VI, Kilin SYa, Soldatov AG i dr. Quantum-chemical design of endohedral buckminsterfullerene cluster systems for the creation of radionuclide agents for the therapy of oncological diseases. Vestn farmatsii. 2015;(4):51–9. (In Russ.)
15. Dikusar EA, Zelenkovskii VM, Pushkarchuk AL, Rudakov DA, Potkin VI, Kilin SYa et al. Quantum chemical designing of cholesterol containing radionuclide anticancer agents. Functional Materials. 2016;23(2):274–8
16. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Rudakov DA, Potkin VI, Kozlov NG, Kilin SYa et al. Quantum Chemical Designing of Cholesterol and Estrone Containing Radionuclide Cancer-Fighting Agents. Vestsi NAN Belarusі. Ser khim navuk. 2016;(3):68–9
17. Dikusar EA, Potkin VI, Pushkarchuk AL, Bez»iazychnaia TV, Soldatov AG, Kuten’ SA i dr. Quantum-chemical modeling of estrone-containing bisfullerenol radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. V: Nanostruktury v kondensirovannykh sredakh: sb nauch st. Minsk, RB: In-t teplo- i massoobmena im AV Lykova NAN Belarusi; 2016. s. 71–6. (In Russ.)
18. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Bez»iazychnaia TV, Soldatov AG, Kuten’ SA. Quantum-chemical modeling of the structure of estrone-containing bisfullerenol radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. V: Samsonov VM, Sdobniakov NIu, redaktory. Fiziko-khimicheskie aspekty izucheniia klasterov, nanostruktur i nanomaterialov: mezhvuz sb nauch tr. Tver’, RF: Tverskoi gos un-t; 2016. Vyp 8. s. 110–8. (In Russ.)
19. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Soldatov AG, Kuten’ SA, Stepin SG. Quantum-chemical modeling of the structure of methotrexate-containing fullerenol radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. Vestn farmatsii. 2017;(1):52–6. (In Russ.)
20. Dikusar EA, Bezyazychnaya TV, Potkin VI, Kosandrovich EG, Pushkarchuk AL, Soldatov AG et al. DFT Simulation of Methotrexate Fullerenol Radionuclide Agents of Cancer Therapy. In: Nonlinear Dynamics and Applications. Minsk, RB: Pravo i ekonomika; 2017. Vol 23. p. 143–9
21. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Bez»iazychnaia TV, Potkin VI, Soldatov AG, Kuten’ SA i dr. Quantum-chemical modeling of methotrexate-fullerenol radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. Vestsi NAN Belarusі. Ser khim navuk. 2019;55(2):163–70. (In Russ.)
22. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Bez»iazychnaia TV, Potkin VI, Soldatov AG, Kuten’ SA i dr. Quantum Chemical Modeling of Endohedral Fullerenolocortisone Derivatives. V: Fullereny i nanostruktury v kondensirovannykh sredakh: sb nauch st. Minsk, RB: In-t teplo- i massoobmena im AV Lykova NAN Belarusi; 2021. s. 64–7. (In Russ.)
23. Ponomarenko GN, redaktor. Physiotherapy: nats ruk. Moskva, RF: GEOTAR-Media; 2009. 864 s. (In Russ.)
24. Neese F, Wennmohs F,Becker U,Riplinger C. The ORCA quantum chemistry program package. J. Chem. Phys. 2020;152(22 art 224108). doi: 10.1063/5.0004608
25. Sandler SI. Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics. New York, USA: John Wiley & Sons; 2017. 1040 p
26. Demerel Y. Nonequilibrium thermodynamics: Transport and rate processes in physical, chemical and biological systems. 3rd ed. Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science; 2014. 792 p
27. Putz MV, Putz AM. DFT chemical reactivity driven by biological activity: applications for the toxicological fate of chlorinated PAHs. In: Putz MV, Mingos MP, editors. Applications of Density Functional Theory to Biological and Bioinorganic Chemistry. Berlin, Germany: Springer Link; 2013. p. 181–231
28. Dikusar EA, Pushkarchuk AL, Bez»iazychnaia TV, Kosandrovich EG, Soldatov AG, Kuten’ SA i dr. Tetracosahydroxybakminsterfullerenol - the reagent of the future. V: Agabekov VE, Khripach VA, Ignatovich ZhV, redkollegiia. Khimicheskie reaktivy, reagenty i protsessy malotonnazhnoi khimii. Tezisy dokladov XXXI Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Reaktiv-2018»; 2018 Okt 2-4; Minsk, Belarus’. Minsk, RB: Belaruskaia navuka; 2018. s. 22. (In Russ.)
29. Ye L, Kollie L, Liu X, Guo W, Ying X, Zhu J et al. Antitumor Activity and Potential Mechanism of Novel Fullerene Derivative Nanoparticles. Molecules. 2021;26(11 art 3252). doi: 10.3390/molecules26113252
30. Fizer L, Fizer M. Steroids. Moskva, RF: Mir; 1964. 982 s. (In Russ.)
31. Sundqvist B. Fullerenes under high pressure. In: Kadish KM, Ruoff RS, editors. Fullerenes: chemistry, physics, and technology. New York, USA: Wiley-Interscience; 2000. 984 p
Адрес для корреспонденции:
220072, Республика Беларусь,
г. Минск, ул. Сурганова, 13,
Институт физико-органической химии
Национальной академии наук Беларуси,
тeл.: +375-17-2841600, моб. +375-29-6228644,
E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.,
Дикусар Е. А.