Фотофармакология — это новая междисциплинарная область, которая объединяет фотохимию и фармакологию . [1] Основанная на способности света изменять фармакокинетику и фармакодинамику биоактивных молекул, она направлена на регулирование активности лекарств in vivo с помощью света. [2] Световая модуляция достигается путем включения молекулярных фотопереключателей, таких как азобензол и диарилетены, или фотоклеток, таких как соединения о-нитробензил, кумарин и BODIPY, в фармакофор. [3] Эта избирательная активация биомолекул помогает предотвратить или минимизировать нецелевую активность и системные побочные эффекты. Более того, свет, являясь регуляторным элементом, дает дополнительные преимущества, такие как возможность доставки с высокой пространственно-временной точностью, низкая или незначительная токсичность и возможность контроля как качественно, так и количественно путем настройки его длины волны и интенсивности. [4]
Хотя фотофармакология является относительно новой областью, концепция использования света в терапевтических целях вошла в практику несколько десятилетий назад. Фотодинамическая терапия (ФДТ) является устоявшимся клинически практикуемым протоколом, в котором фотосенсибилизаторы используются для производства синглетного кислорода для уничтожения больных или поврежденных клеток или тканей. [2] Оптогенетика является еще одним методом, который опирается на свет для динамического управления биологическими функциями, особенно мозговыми и нейронными. [4] Хотя этот подход оказался полезным в качестве исследовательского инструмента, его клиническое применение ограничено необходимостью генетической манипуляции. В основном, эти два метода заложили основу для фотофармакологии. Сегодня это быстро развивающаяся область с разнообразными приложениями как в фундаментальных исследованиях, так и в клинической медицине, которая имеет потенциал для преодоления некоторых проблем, ограничивающих диапазон применения других методов световодной терапии.
Рисунок 1. Схематическое изображение механизма (а) фотофармакологии, (б) фотодинамической терапии и (в) оптогенетики.
Открытие природных фоторецепторов, таких как родопсины в глазу, вдохновило исследовательское сообщество в области биомедицины и фармакологии на разработку светочувствительных белков для терапевтических применений. [2] Разработка синтетических фотопереключаемых молекул является наиболее значимой вехой в истории систем доставки света. Ученые продолжают свои усилия по исследованию новых фотопереключателей и стратегий доставки с улучшенной производительностью для нацеливания на различные биологические молекулы, такие как ионные каналы, нуклеиновые кислоты и рецепторы ферментов. Исследования фотофармакологии продвинулись от исследований in vitro к исследованиям in vivo за значительно короткий период времени, дав многообещающие результаты в обеих формах. В настоящее время проводятся клинические испытания для дальнейшей оценки безопасности и эффективности этих фотофармакологических терапий и подтверждения их потенциала в качестве инновационного подхода к доставке лекарств.
Молекулярные фотопереключатели используются в области фотофармакологии, где энергетика молекулы может обратимо контролироваться светом для достижения пространственного и временного разрешения определенного эффекта. Фотопереключатели могут функционировать, подвергаясь фотоизомеризации , посредством которой свет используется для конформационной адаптации молекулы к биологическому участку, или через воздействие окружающей среды, где внешний фактор, такой как эффект растворителя или водородная связь, может выборочно разрешать или гасить излучательное состояние внутри молекулы. Для визуализации фотофизических процессов полезным изображением является диаграмма Яблонского . Это диаграмма, которая изображает электронные и колебательные уровни энергии внутри молекулы в виде вертикальных уровней и показывает возможные пути релаксации из возбужденных состояний. Обычно основное состояние обозначается как S 0 и изображается в нижней части рисунка с близлежащими колебательными возбуждениями чуть выше него. Поглощение переведет электрон в состояние S 1 на любом колебательном энергетическом уровне или в возбужденное состояние более высокого порядка, если поглощенная энергия имеет достаточную величину. Возбужденное состояние может затем подвергнуться внутреннему преобразованию, которое является электронной релаксацией в более низкое состояние с той же колебательной энергетикой или колебательной релаксацией внутри состояния. За этим может последовать интерсистемный переход, в котором электрон подвергается перевороту спина или радиационному или безызлучательному распаду обратно в основное состояние. [5]
Одним из примеров органического соединения, которое подвергается фотоизомеризации, является азобензол . Его структура представляет собой два фенильных кольца, соединенных двойной связью N=N, и является простейшим арилазосоединением. Азобензол и его производные имеют две доступные полосы поглощения: состояние S 1 от перехода n-π*, которое может быть возбуждено с использованием синего света, и состояние S 2 от перехода π-π*, которое может быть возбуждено с использованием ультрафиолетового света. [6] Азобензол и его производные имеют два изомера, транс и цис. Транс-изомер, имеющий фенильные кольца на противоположных сторонах азодвойной связи, является термически предпочтительным изомером, поскольку в нем меньше стереоэлектронных искажений и больше делокализации. Однако возбуждение транс-изомера в состояние S 2 облегчает переход в цис-изомер. Поглощение S 1 связано с преобразованием обратно в транс-изомер. Таким образом, азобензол и его производные могут действовать как обратимые хранилища энергии, поддерживая напряженную конфигурацию в цис-изомере. Модификации заместителей в азобензоле позволяют настраивать энергетику этих поглощений, и если они спроектированы таким образом, что две полосы поглощения перекрываются, для переключения между ними можно использовать одну длину волны света. Существует ряд подобных фотопереключателей, которые изомеризуются между конфигурациями E и Z через азогруппу (например, азобензол и азопиразол) или этиленовый мостик (например, стильбен и гемитиоиндиго). [7] [[File:Ru и jablonski.png|thumb| Рисунок 3. (Вверху.) Представления Λ и Δ энантиомеров [Ru(phen) 2 dppz] 2+ , где phen = 1,10-фенантролин и dppz = дипиридо[3,2-a:2,3-c]феназин. (Внизу.) Диаграмма Яблонского, представляющая водное тушение испускания [[Ru(phen) 2 dppz] 2+ , изображающая яркие состояния и темные состояния.]] Альтернативно, фотопереключатели сами могут быть испускающими и демонстрировать контроль окружающей среды над своими свойствами. Одним из таких примеров является класс координационных комплексов рутения полипиридила. Обычно они содержат два бидентатных бипиридиновых или фенантролиновых лиганда и расширенный фенантролин-феназиновый бидентатный лиганд, такой как дипиридо[3,2-a:2,3-c]феназин (dppz). [8] Эти комплексы имеют доступное возбужденное состояние переноса заряда от металла к лиганду ( 1 MLCT), которое подвергается быстрому межсистемному переходу в состояние 3 MLCT из-за сильной спин-орбитальной связи рутениевого центра. Эти возбужденные состояния локализованы на расширенном лигандном феназиновом азоте, и эмиссия происходит из 3Состояние MLCT. Взаимодействия водородных связей, такие как присутствие воды вокруг этих атомов азота, стабилизируют состояние 3 MLCT, гася процесс испускания. Таким образом, контролируя присутствие водного или иного протонного полярного растворителя, эмиссионное поведение может быть «включено/выключено», и чередование между «яркими состояниями» и «темными состояниями» облегчается. Такое поведение переключателя света делает эти и подобные комплексы недавним интересом в фотофармакологических приложениях, таких как фотодинамическая терапия.
Как упоминалось ранее, фотофармакология основана на использовании молекулярных фотопереключателей, включаемых в структуру биологически активных молекул, что позволяет оптически контролировать их активность. [7] Они вводятся в структуру биологически активных соединений посредством вставки, расширения или биоизостерической замены. [7] Эти включения могут быть подкреплены структурными соображениями молекулы или анализом SAR (структурно-активностной связи) для определения оптимального положения. [7] Некоторые примеры фотопереключаемых молекул, обычно используемых в фотофармакологии, — это азобензолы, диарилетены и фотоклетки. [9]
Азобензолы представляют собой класс фотопереключаемых молекул и используются в фотофармакологических приложениях для их обратимой фотоизомеризации, как описано в предыдущем разделе. Примером фотопереключаемой молекулы, которая использует азобензол, является фототрексат. Фототрексат является ингибитором человеческой дигидрофолатредуктазы и является аналогом метотрексата , химиотерапевтического агента. [10] Было показано, что в своей фотоактивной цис-форме фототрексат является мощным антифолатом и относительно неактивен в транс-форме. [10] Азологизация, или включение азобензола, метотрексата позволяет контролировать цитотоксическую активность и считается шагом вперед в разработке таргетных противораковых препаратов с локализованной эффективностью. [10]
Фотопереключатели диарилетена имеют обратимые реакции циклизации и циклореверсии, которые являются фотоиндуцированными. [11] Они представляют собой класс соединений, которые имеют ароматические функциональные группы, связанные с каждым концом двойной связи углерод-углерод. Примером этого класса молекул, который используется в фотофармакологии, является стильбен . Под воздействием света стильбен переключается между двумя своими изомерами (E и Z).
Рисунок 4. Рисунок, показывающий изомеризацию стильбена под действием света от E до Z.
Было показано, что диарилетены имеют некоторые преимущества по сравнению с более исследованными азобензольными переключателями, такими как термическая необратимость, высокая эффективность фотопереключения, благоприятная клеточная стабильность и низкая токсичность. [11] Было показано, что диарилетены имеют перспективы и в других областях, помимо фотофармакологии. Эти области включают оптическое хранение данных, оптоэлектронные устройства, супрамолекулярную самосборку и защиту от подделок. [11]
Класс веществ, известных как фотоклетки, содержит «фоточувствительные группы, также известные как «фотоудаляемые защитные группы», из которых целевые вещества высвобождаются при воздействии определенных длин волн света». [12] Фоточувствительные группы физически и химически защищают цель от высвобождения до тех пор, пока молекула не подвергнется фотореакции. [12] Благодаря этим взаимодействиям со светом они являются широко используемыми молекулами в фотофармакологии. Совсем недавно они сыграли важную роль в фотоактивируемой химиотерапии (PACT). В PACT фотоклетки используют фотоудаляемую защитную группу, которая защищает цитотоксические препараты до тех пор, пока связь не будет расщеплена посредством взаимодействия со светом и цитотоксический препарат не высвободится. [13] Некоторые известные фотоклетки включают «производные о-нитробензила, производные кумарина, BODIPY, производные ксантена, производные хинона и диариленов». [12] Однако существуют ограничения при использовании фотоклеток в клинических приложениях, поскольку не так много PPG можно использовать in vivo. Это связано с тем, что конъюгаты ППГ-полезной нагрузки должны обладать приемлемой растворимостью и биологической инертностью для биосовместимости, а также необходимостью эффективного высвобождения при длине волны свыше 600 нм. [13]
Рисунок 5. Пример системы высвобождения фотоклетки, активируемой NIR [14]
Фотофармакология, использование света для контроля активности лекарств, стала перспективным подходом к доставке лекарств и терапии. Используя силу света, исследователи могут добиться точного контроля над высвобождением и активацией лекарств, что открывает новые возможности для целенаправленного и персонализированного лечения. В этом подразделе мы рассмотрим применение фотофармакологии в доставке лекарств, сосредоточившись на последних достижениях и потенциальных клинических применениях. В этом исследовании [15] исследователи разработали ингибиторы HDAC, которые можно активировать или дезактивировать с помощью света, обеспечивая точный терапевтический контроль. Этот подход может уменьшить побочные эффекты традиционной химиотерапии путем нацеливания ингибиторов на определенные области тела, что потенциально приведет к более эффективному и персонализированному лечению рака.
В этом исследовании [16] исследователи разработали стратегию присоединения фотопереключаемой группы к распространенному антибиотику; ципрофлоксацину. Присоединяя фотопереключаемую группу, исследователи могут контролировать активность ципрофлоксацина с помощью света. Этот подход может потенциально привести к новым способам лечения бактериальных инфекций с возможностью включения и выключения активности антибиотика по мере необходимости. В этой статье [17] разработан протокол in vitro для тестирования различных длин волн света на линиях раковых клеток человека, в котором обнаружено, что синий свет наиболее эффективно подавляет рост клеток. Это говорит о том, что фотофармакология может предложить новые варианты лечения рака путем нацеливания на определенные длины волн света для модуляции активности препарата в опухолевых клетках. Другим применением фотофармакологии [18] является разработка люминесцентного фотоCORM, привитого на карбоксиметилхитозан, который при воздействии света выделяет оксид углерода (CO), вызывая апоптотическую смерть в клетках колоректального рака, демонстрируя точный контроль над высвобождением CO для целевой терапии рака. Исследователи разработали набор фотопереключаемых антагонистов, которые могут взаимодействовать с GPCR, классом белков, участвующих в различных клеточных процессах. [19] Используя свет для переключения активности этих антагонистов, исследователи могут контролировать взаимодействие между антагонистами и GPCR в реальном времени. Этот подход позволяет точно модулировать активность GPCR, что может привести к новому пониманию клеточных сигнальных путей и потенциальных терапевтических применений. В другом приложении [20] используя свет для управления сборкой нанопор, исследователи потенциально могут регулировать поток ионов или молекул через эти нанопоры. Этот подход может иметь применение в различных областях, включая зондирование, доставку лекарств и нанотехнологии. В этой статье [21] они использовали фотофармакологию для управления активностью лекарств; многофункциональные волокна в исследовании доставляют свет и лекарства в определенные области тела. Имплантированные волокна активируют светочувствительные лекарства, изменяя их структуру и предлагая точную доставку лекарств для состояний, требующих точного времени или дозировки. В другом исследовании [22] лиганды были разработаны для переключения их режима связывания с G-квадруплексной ДНК при воздействии видимого света. Этот метод потенциально может модулировать активность G-квадруплексной ДНК, решающую роль в экспрессии генов и поддержании теломеры, предлагая новые терапевтические пути, особенно в лечении рака. Исследование подчеркивает перспективы фотофармакологии в нацеливании на определенные структуры ДНК, предлагая G-квадруплексную ДНК как жизнеспособную цель для будущих фотофармакологических вмешательств. Это исследование [23]разработали фотоактивируемые конъюгаты антитело-photoCORM, нацеленные на клетки рака яичников человека, выделяющие CO при воздействии света для снижения жизнеспособности клеток. Этот подход обеспечивает точное нацеливание на раковые клетки, сводя к минимуму вред для здоровой ткани, демонстрируя потенциал фотофармакологии в терапии рака. В этой статье [24] было разработано фотоактивируемое соединение, которое связывается с белком CRY1 и модулирует его активность, регулируя циркадные часы млекопитающих. Используя свет для управления активностью соединения, исследователи потенциально могут лечить нарушения циркадного ритма и связанные с этим состояния здоровья путем модуляции функции CRY1. Фотофармакология включает использование света для управления активностью лекарств. В другом приложении [25] исследователи используют фотофармакологию для управления высвобождением лекарств и сосредотачиваются на лекарстве, взаимодействующем с тубулином, визуализируя его высвобождение в реальном времени с помощью серийной кристаллографии с временным разрешением. Эта методика дает представление о взаимодействии лекарств и тубулина и демонстрирует потенциал для разработки лекарств с точными действиями.
Будущее фотофармакологии имеет огромные перспективы. Она имеет потенциал для революции в традиционной лекарственной терапии, предлагая новые пути для точной медицины, лечения неврологических расстройств, а также в области онкологии и офтальмологии . [1] Кроме того, она имеет перспективы для области регенеративной медицины , где фотопереключатели могут использоваться для модуляции активности сигнальных путей для целенаправленного восстановления и регенерации тканей. [3]
Фотофармакология будет продолжать расти и расширяться с новыми открытиями и достижениями, происходящими в других смежных областях, таких как синтетическая химия, биология, нанотехнологии, фармакология и биоинженерия. Хотя потенциал фотофармакологии огромен, есть некоторые проблемы, которые необходимо решить, чтобы сделать его клинической реальностью. Одной из таких проблем является разработка стабильных и биосовместимых фотопереключателей, которые являются селективными для своих целевых рецепторов без перекрестной активности. [2] Особенно важно, чтобы эти фотопереключаемые вещества имели полосы поглощения в диапазоне длин волн от 650 нм до 900 нм. [2] Следовательно, для достижения характеристик, упомянутых выше, и желаемого уровня производительности требуется оптимальное молекулярное проектирование фотопереключателей. В настоящее время фотофармакология использует рациональный подход к разработке лекарств, основанный на изучении взаимосвязи структуры и активности, однако фенотипический скрининг фотопереключаемых лекарств также может быть полезным.
Для достижения хорошего пространственно-временного контроля над активностью препарата должна быть значительная разница между активностью изомеров. Однако понимание структурных изменений во время биологических эффектов, вызванных фотопереключением, ограничено. Этот дефицит знаний также является проблемой для роста этой области, поскольку он затрудняет оптимизацию активности и эффективности изомеров для получения ожидаемых результатов во время применения. [3]
Еще одним препятствием, самой большой проблемой в фотофармакологии является поиск подходящих и эффективных способов доставки света в глубокие ткани организма и ткани, избегая таких проблем, как рассеивание и поглощение. В этом отношении были предприняты различные стратегии, одной из которых является разработка фотопереключаемых лигандов, которые реагируют на проникающие в глубокие ткани длины волн, такие как красный или инфракрасный свет. Более того, некоторые недавние доклинические исследования стимулировали разработку беспроводных, компактных или инъекционных и дистанционно управляемых устройств, способных доставлять свет в нервные ткани с минимальным повреждением. [26] Существуют новые оптофлюидные системы, которые могут одновременно регулировать как доставку лекарств, так и активность света в определенных местах. Хотя внешняя доставка света является наиболее предпочтительным методом, использование внутренних экзогенных источников света, таких как люминесцентные соединения, где свет будет доставляться непосредственно в место действия. Это может избежать проблем, связанных с проникновением света, а также повысить степень селективности. Кроме того, это создает возможность использовать фотофармакологию в качестве тераностического подхода, который сочетает в себе целевую доставку лекарств и молекулярную визуализацию. [2]