Координационная химия

комплекса [99тТс(ОН2)з(СО)з]+

При разработке новых радиофармацевтических препаратов необходимым требованием является то, чтобы остов радиоактивного комплекса мог связываться с различными лигандами с образованием устойчивых комплексов различного размера, отличающихся зарядом и гидрофильностыо. Это позволит проводить исследования соотношений структура - активность, в которых биораспределение комплексов металлов можно исследовать как функцию их физико-химических свойств. С этой точки зрения возникает важный вопрос доступности таких структурных единиц комплексов, которые могут имитировать биологические структуры, например, соединения Tc(V) по отношению к стероидным гормонам [41^)3].

Предваряя общее рассмотрение, следует сказать, что ядро <+» способно к координации почти с любым донорным центром хелатора. Были описаны многие примеры таких комплексов [44-48]. Несмотря на пространственную затрудненность, эти комплексы кинетически устойчивы и не разлагаются в течение времени, необходимого для обследования пациента. Лиганды, однако, сильно отличаются по способности замещать молекулы воды в комплексе [ЭДтТс(ОН2)з(СО)з]+. Для мечения векторов или для синтеза модельных комплексов решающими факторами являются скорость замещения, так же как и минимально возможные концентрации хелатора (а, следовательно, и «наводящего на цель» агента), используемые для количественного образования комплекса. Если создание метки происходит медленно либо требует высокой концентрации лиганда, такой радиофармацевтический препарат может быть использован лишь после очистки, например, с помощью ВЭЖХ. Такую процедуру обычно нельзя выполнить в условиях больницы. Приемлемый верхний предел концентрации для рецепторных «наводящих на цель» биомолекул составляет КТ5 М. Концентрация изотопа 99п1Тс, получаемая в генераторе и используемая для приготовления радиофармацевтического препарата, находится обычно в пределах 10~6—10 7 М. Эти цифры означают, что биомолекула берется в 100-кратном избытке по отношению к изотопу технеция. Обычное количество радиофармацевтического препарарата, вводимого пациенту, не приводит к насыщению рецепторов «холодным» материалом, поскольку теоретически доступно большее число рецепторов, для того чтобы препятствовать конкуренции «холодных» и «горячих» рецепторных лигандов. При таких низких концентрациях почти всегда требуется нагревание для достижения удовлетворительной скорости введения метки.

Мы установили, что многие тридентатные лиганды являются весьма эффективными и приводят к количественному образованию комплексов при концентрациях КГ6 М, а в некоторых случаях - вплоть до концентрации 1 O ' М, т. е. при стехиометрических отношениях [49]. Недостатком тридентатных хелаторов является необходимость введения второй функциональной группы для ковалентного связывания с биомолекулой. Иногда такая функциональная группа уже может присутствовать в исходном лиганде, например, в нитрило- триуксусной кислоте, но «сшитые» хелаторы требуют отдельных методов для сочетания фрагментов. Для достижения селективности в процессе сочетания приходится использовать защитные группы, что в ряде случаев делает получение конечного лиганда многостадийным синтезом. Примеры тридентатных лигандов и низшие пороги концентраций для реакции введения метки при 98°С и проведении реакции в течение 30 мин приведены на схеме 4.8.

Высокая температура является следствием сильного разбавления копмо- нентов реакции, однако наиболее активные лиганды реагируют количественно при концентрации 10-4 М при комнатной температуре. Такие условия проведения реакции вполне могут быть использованы, если связывание рецептора не является лимитирующим фактором. Наиболее эффективные лиганды - это гистидин, алифатические или смешанные ароматическо-алифатические триа- мины, а также метионин. Еще более эффективными хелаторами являются смешанные имидазолтионы в комбинации с борогидридом [50]. Введение связывающей функциональной группы в молекулу гистидина и ее конъюгация с биомолекулой представлены на схеме 4.9 [51].

Схема 4.8. Типичные тридентатные лиганды (хелаторы) и низшие пороги концентрации, при которых комплекс образуется количественно в течение 30 мин при 98°С

Очевидно, получение хелаторов является многостадийным синтезом, однако, в случае производных гистидина эффективность и универсальность получаемого хелатора оправдывает сложность синтеза. Наиболее удобной, но не общепринятой, является защита гистидина собственно металлоорганическим фрагментом [Re(CO)3]+. Использование металлоорганического компонента для защиты функциональных групп в молекулах органических соединений в литературе известна. Однако число таких примеров невелико, а сами примеры весьма специфичны. В комплексе [Re(his)(CO)3] (his - фрагмент гистидина), полученном одностадийным синтезом, легко идет алкилирование гистидина по положению №. Таким путем в гистидин может быть введена, например, карбоксильная группа, необходимая для последующего сочетания с биомолекулой. Затем комплекс связывают с вектором, например, пептидом, а защитную группу |Re(CO)3]+ удаляют при низком значении pH в присутствии окислителя, такого как Н202. Конечно, биомолекула должна быть устойчивой в этих условиях. Что касается пептидов, то они не очень

Схема 4.9. N'-Дериватизация гистидина и конъюгация с биомолекулой (пептидом)

чувствительны к кислотами и/или Н202, если они не содержат метионин или другие группы, содержащие серу.

Как видно из схемы 4.8, комплексы, присоединяемые к биомолекулам, могут быть анионными, нейтральными или катионными, и природу доноров можно систематически варьировать без значительного изменения топологии комплекса. Примеры последовательности подобных вариаций приведены на схеме 4.10.

Химия с участием доноров, о которых идет речь, будучи биометалло- органической химией, все же является обычной химией координационных соединений и не включает образование новых связей Тс-С в водной среде. Выраженная тенденция к образованию координационных соединений не исключает, однако, саму по себе возможность образования связей Тс-С в этих условиях. Соответствующие реакции будут описаны ниже в данной главе.

Для того чтобы обойти относительно сложные пути модификации, одну из функциональных групп в тридентатных хелаторах можно непосредственно

Схема 4.10. Примеры систематизированного дизайна лигандов без изменения природы набора донорных фрагментов

Схема 4.11. Высокоэффективные бидентатные хелаторы, вводимые в биомолекулы

использовать для сочетания. Это приведет, в общем, к бидентатным хелато- рам. В качестве альтернативы в бидентатные хелаторы можно ввести функциональную группу, с помощью которой их можно сочетать с биомолекулами. Некоторые примеры бидентатных хелаторов приведены на схеме 4.11.

Природные аминокислоты, имеющие две функциональные группы, способные к координации (одна из них - в боковой цепи), могут сочетаться с N-концом пептидов. После этого они становятся потенциальными биден- татными хелаторами, которые могут быть мечены в низких концентрациях. Их можно сочетать также с С-концом посредством N''-аминогруппы, однако комбинация функциональной группы в боковой цепи и карбоксилата не приводит к очень эффективным хелаторам, поскольку хелатный цикл в этом случае получается больше 6-членного. Лучше всего таким путем вступают в сочетание гистидин и метионин, давая бидентатные N,N- и N,S-лиганды. В случае нейтральных бидентатных лигандов оставшееся координационное положение на атоме металла занимает ион СВ по электростатическим причинам, так что общий заряд комплекса равен нулю. Природа бидентатного лиганда зачастую обусловливает липофильность этих комплексов. В противоположность лиганду, ион С1~ склонен к медленному обмену, и потенциальные его конкуренты - координационные сайты биомолекул (например, белки плазмы) - могут связываться с металлом вместо него. Это может приводить к нежелательно долгому присутствию комплекса в крови и к высокому фоновому излучению в процессе визуализации. Лабильность иона СВ зависит от природы бидентатного хелатора, однако систематические исследования этого вопроса до сих пор не проводились [52]. Типичные хелаторы представлены на схеме 4.12.

В противоположность ионам галогена, бидентатные хелаторы совсем не участвуют в обменных процессах в физиологических условиях, что еще раз демонстрирует важность кинетической устойчивости. Многие из этих лигандов могут быть мечены при концентрации 10"5 М, но все же они менее эффективны, чем тридентатные хелаторы.

Монодентатные лиганды, такие как имидазол, тиоэфиры, пиридин, образуют комплексы со стехиометрией 1:1, 1:2 и 1:3. В присутствии моно- дентатных лигандов реакция замещения останавливается на образовании комплексов состава [99тТсС1(Ь)2(СО)з], но продолжительное время проведения реакции или более высокие концентрации лиганда приводят также

Схема 4.12. Дериватизация пептида гистидином по N- и С-концам с образованием бидентатного N,0- и N.N-лигандов соответственно к комплексам ["mTc(L)3(CO)3]+. Лучше всего было бы модифицировать биомолекулы, используя комплекс с монодентатным лигандом. Однако, поскольку такой комплекс координируется с двумя другими молекулами, реакция часто приводит к кросс-связыванию за счет координации двух разных биомолекул. Это нежелательный аспект применения монодентатных лигандов, следовательно, такие лиганды не считаются хорошими для использования в радиофармацевтике.

Интересна одна особенность взаимодействия природных монодентатных лигандов с комплексом ["тТс(ОН2)3(СО)3]+. Имидазольная и тиоэфирная боковые цепи в гистидине и метионине соответственно представляют собой моно- дентатные координационные центры. Если несколько таких функциональных групп находятся поблизости в биомолекуле, эти монодентатные лиганды можно использовать для мультикоординации без хелатного эффекта. Эти группы, принадлежащие одной и той же биомолекуле, занимают более одного положения в координационной сфере металла, препятствуя тем самым описанному выше образованию кросс-связей. В такой ситуации можно представить себе прямое мечение биомолекулы, если соответствующие координационные сайты этой молекулы могут связываться с одним и тем же центром - металлом. Этот вариант встречается в меченых гистидином рекомбинантных антителах, в которых на С-конце содержится до пяти гистидиновых участков. Эти участки могут предоставить для координации имидазольные фрагменты, находящиеся в непосредственной близости друг от друга. Такие белки, действительно, могут быть мечены непосредственно. Хотя координационный сайт и лигандная сфера точно не известны (и, по-видимому, они построены не единственно возможным способом), тот факт, что не наблюдается кросс-связывания, подтверждает гипотезу о мультиплетной координации одной и той же биомолекулы без хелатного эффекта [53].

Другим примером является взаимодействие катиона /ас-[М(СО)3]+ с пуриновым основанием гуанозином (Г). При проведении реакции в макроскопическом масштабе этот катион связывается с Г через атом N7, давая комплекс [M(OH2)2(9-MeG)2(CO)3]+ (9-MeG - 9-метилгуанин), в котором два гуаниновых фрагмента расположены по отношению друг к другу либо по типу «голова к голове», либо по типу «голова к хвосту» [54]. Это также дает возможность прямого мечения Г соответствующим предшественником, содержащим "тТс. Атом N7 гуанина, однако, является не очень хорошим донором. Поэтому при низких концентрациях реагентов получается комплекс только с одной молекулой лиганда [99ттс(ОН2)2(Г)(СО)3]+. Было установлено, что плазмидная ДНК денатурирует под действием небольших концентраций комплекса ["Тс(ОН2)3(СО)3]+. Это подтверждает сродство данного комплекса не только к свободному гуанозину, но также к гуанозину, входящему в состав ДНК. Цисплатин также вызывает денатурацию даже при меньших концентрациях, чем комплекс [99Тс(ОН2)3(СО)3]+. На данном этапе можно заключить, что этот комплекс может образовывать как меж-, так и внутритяжевые кросс-связи в ДНК, хотя точный характер соответствующих взаимодействий еще предстоит установить.

Хотя моно- и бидентатные лиганды имеют недостатки в плане приготовления новых радиофармацевтических препаратов, комбинация тех и других лигандов дала начало новой концепции смешанно-лигандных комплексов [55]. Реакция иона ["Тс(ОН2)3(СО)3]+ с анионными бидентатными лигандами приводит к комплексам состава [99Tc(OH2)(r|2-L2)(CO)3]. С атомом металла остается связанной одна молекула воды, причем комплексообразование со вторым бидентатным лигандом никогда не наблюдалось, вероятно, по стери- ческим причинам. Молекула воды может быть замещена на монодентатный лиганд, что приводит к нейтральным комплексам состава [99Tc(Ll)(L2)(CO)3]. В качестве лиганда L1 могут выступать имидазол, пиридин, тиоэфиры, изоцианиды и многие другие соединения, давая комплексы одного структурного типа, отличающиеся природой лиганда L1. Если L2 - это бидентатный хелатор, присоединенный к «наводящей на цель» молекуле, то замена лиганда L1 приведет к комплексам, различающимся своими характеристиками. Следовательно, могут быть проведены систематические исследования биораспределения комплексов. Такой подход называют [2в+1]-подходом; его иллюстрирует схема 4.13.

Комбинация моно- и бидентатного лиганда - это продуктивный подход, который может получить дальнейшее развитие. Предположим, что монодентатный лиганд присоединен к биомолекуле (ВМ), а вариабельной частью является бидентатный хелатор. Тогда мы имеем дело с так называемым [2+1в]-подходом, особенно удобным, поскольку непосредственный предшественник для мечения - [99Tc(OH2)(r|2-L2)(CO)3] - может быть приготовлен прямо из имеющегося набора реактивов. Бидентатный лиганд добавляется к раствору карбонильного производного технеция, и в одну стадию образуется комплекс [99mTc(OH2)(ri2-L2)(CO)3]. Затем этот предшественник взаимодействует с биомолекулой, несущей монодентатный лиганд, с образованием радиофармацевтического препарата. В [2+1В]-подходе заключен потенциал, который необходим для совершенствования фармацевтических препаратов. Если биомолекула, содержащая монодентатный лиганд, остается неизменной, то варьируется бидентатный лиганд, а многие подходящие бидентатные лиганды коммерчески доступны. Как было сказано в начале, монодентатные

Схема 4.13. Смешанно-лигандные подходы [2в+1] и [2+1 в] к синтезу комплексов на основе фрагмента fec-[99(m)Tc(CO)3]+

лиганды не очень аффективны в рассматриваемом аспекте, если иметь в виду концентрации, необходимые для образования комплекса и скорость образования этого комплекса. Следовательно, этот подход требует относительно высоких концентраций (биомолекул) для того, чтобы реакция прошла до конца. Исключение составляют, пожалуй, изоцианиды. По нашему опыту, изоцианиды - очень эффективные лиганды и образуют комплексы по схеме подхода [2+1в] при таких низких концентрациях, как 10~5 М. Изоцианиды могут содержать дополнительную функциональную группу, которая позволит сочетать их с биомолекулами. Изучены далеко не все возможные лиганды и в настоящее время остается еще много работы для того, чтобы найти наилучший вариант монодентатного лиганда.

Хотя описанный здесь смешанно-лигандный подход не изучен детально, все же он мог бы позволить комбинировать «наводящие на цель» молекулы двух разных типов с биологическими функциями разных видов. Два принципа биологического действия могут быть соединены воедино с помощью металлосодержащего ядра как центрального связывающего мостика. Одной из функций может быть, например, нацеливание на мишень, а второй - внутриклеточный захват. Разумеется, получение подобных конъюгатов возможно сочетанием двух органических молекул с помощью обычных ковалентных связей. Однако разделение таких связанных молекул в меньшей степени отразится на присущих им функциях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >