Дизайн фармацевтических систем на основе биополимеров и супрамолекулярных комплексов для создания биодоступных препаратов

О группе:

Основные проблемы:

Современная медицина предполагает использование широкого спектра лекарственных средств, которые должны обладать определенным набором свойств, необходимых для достижения биологических рецепторов. Основное препятствие на этом направлении - крайне низкая растворимость биологически активных веществ в физиологических средах. Известно, что биодоступность является одной из важнейших фармакокинетических характеристик лекарственного препарата и определяется по количеству активного фармацевтического ингредиента, достигшего системного кровообращения. Эта величина, в свою очередь, напрямую зависит от кинетических и термодинамических параметров растворения. Не менее важная характеристика, определяющая биодоступность - это проницаемость через биологические барьеры (мембраны кишечного эпителия, гематоэнцефалический барьер и т.п.). В свою очередь, липофильность, мерой которой служит коэффициент распределения в модельной системе 1-октанол/вода, позволяет оценить проницаемость соединения в первом приближении. Информация о растворимости и проницаемости веществ-кандидатов на ранних стадиях разработки не менее актуальна, чем сродство к биологическим рецепторам. Связано это, прежде всего, с тем, что решение проблемы низкой растворимости на заключительных этапах требует дополнительных исследований, которые, как правило, направлены на поиск инновационных технологий, что делает процесс вывода препарата на рынок дорогостоящим.

Существует целый ряд подходов для повышения водной растворимости. В первую очередь, это направленный синтез соединений-лидеров, основанный на поиске корреляций между растворимостью и строением кристаллической решетки веществ в группах структурных аналогов. Во-вторых, это создание многокомпонентных кристаллов, присутствие в составе которых дополнительных составляющих позволяет улучшать свойства основного фармацевтического ингредиента. Широко известно огромное количество лекарственных форм, таких как таблетки, капсулы, инъекции, суппозитории, пластыри, мази и др. В их состав кроме активного фармацевтического ингредиента входят различные вспомогательные вещества, в том числе повышающие растворимость за счет усиления взаимодействия с растворителем - так называемые солюбилизаторы. В качестве солюбилизаторов широкое применение нашли биополимеры и циклодекстрины, содержащие фрагменты, проявляющие сродство к плохо-растворимым веществам и, как следствие, способствующие росту растворимости. Однако, как было показано в результате многочисленных исследований, в растворах солюбилизирующих агентов происходит снижение проницаемости биологически активного соединения. В такой ситуации проблема создания биодоступного фармпрепарата решается за счет установления оптимальных (в плане растворимости и проницаемости) концентраций солюбилизаторов.

Основные направления исследований:

- Получение и изучение свойств твердых дисперсий на основе активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) и различных солюбилизирующих агентов;

- Получение и изучение свойств супрамолекулярных комплексов включения в твердых телах и растворах;

- Исследование процессов сублимации АФИ и определение их термодинамических характеристик;

- Исследование процессов растворения, сольватации, комплексообразования и солюбилизации АФИ в присутствии солюбилизирующих агентов;

- Исследование in vitro мембранной проницаемости индивидуальных соединений через различные виды искусственных и синтетических мембран:

  • пористая фосфолипидная мембрана на основе яичного лецитина (PVPA);
  • мембрана на основе соевого фосфатидилхолина (PermeapadTM);
  • мембраны на основе регенерированной целлюлозы (MWCO 500, 12000-14000 Da).

- Исследование мембранной проницаемости АФИ из растворов, находящихся в равновесии с твердыми дисперсиями, супрамолекулярными комплексами включения и многокомпонентными кристаллами (сокристаллами);

- Исследование процессов распределения АФИ и супрамолекулярных комплексов в модельных системах растворителей 1-октанол/буфер и н-гексан/буфер;

Оценка характеристик липофильности соединений и поиск их взаимосвязи с мембранной проницаемостью;

- Построение корреляционных моделей, связывающих параметры процессов растворения, сублимации, сольватации, проницаемости, распределения и биологической активности - с одной стороны и физико-химические дескрипторы – с другой стороны. Разработка кластерных моделей прогнозирования фармацевтических свойств индивидуальных соединений и сложных систем.

- Исследование влияния солюбилизаторов (биополимеров, циклодекстринов) на характеристики растворимости и проницаемости многокомпонентных молекулярных кристаллов (сокристаллов).

Объекты исследования:

Потенциальные нейропротекторы:

1. Производные 1,2,4-тиадиазола:

 

2. Производные адамантана и мемантина

 

Производные сульфонамида

 

Противогрибковые лекарственные средства и новые соединения с противогрибковой активностью:

 

Проекты, гранты лаборатории:

Федеральная целевая программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг." Госконтракт № 02.740.11.0857. «Синтез и дизайн  молекулярных рецепторов и растворимых форм лекарственных соединений на основе методов и подходов супрамолекулярной химии». 2009-2013 гг.

Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

«Разработка мультидисциплинарного подхода по рациональному дизайну кристаллических фармацевтических соединений, обеспечивающего высокую эффективность их адресной доставки». № 14.616.21.0027. 2014 г.

Грант РНФ «Разработка научных основ создания биодоступных лекарственных препаратов нового поколения с использованием сокристальной технологии на примере противотуберкулезных соединений». № 14-13-00640. 2014-2016 гг.

Грант РФФИ «Взаимосвязь структуры новых бициклических неароматических производных изотиомочевины, проявляющих нейропротекторные свойства, с их специфической активностью, мембранной проницаемостью и растворимостью в биологических средах» № 12-03-00019-а. 2012-2014 гг.

Грант РФФИ «Структурная оптимизация бициклических неароматических производных 2-амино-1,3-селеназинов нейропротекторного и антиоксидантного действия с целью коррекции характеристик влияющих на биодоступность» № 13-03-00348-а. 2013-2015 гг. (руководитель).

Грант РФФИ №18-29-04023 (2018-2020гг.) «Научные основы получения и функционирования металл-органических полимеров на основе циклодекстринов для доставки и пролонгирования действия противоревматических лекарственных соединений»

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 24. «Фундаментальные основы технологии наноструктур и наноматриалов» Подпрограмма: III. Нанобиотехнологии. № 24. «Дизайн порфирин-содержащих нанолекарств и их адресная доставка с целью регуляции концентрации оксида азота в крови». 2012-2014 гг.

7-ая Рамочная Программа Евросоюза в области технических и естественных наук (FP7-PEOPLE-2009-IRSES). Грант «Solvent effects on physico-chemical properties of bioactive compounds: combination of theory with experiments» № PIRSES-GA-2009-247500. 2011-2013 гг.

 Грант РФФИ «Многофункциональные фармацевтические системы для фотодинамической терапии рака: синтез, стабильность, растворимость и распределение в биологически средах» № 14-03-00009. 2014-2016 гг.

Грант РНФ «Разработка новых лекарственных соединений, обладающих нейропротекторными и когнитивно-стимулирующими свойствами, с привлечением подходов супрамолекулярной химии» № 15-13-10017. 2015-2017 гг.

Грант РФФИ «Научные основы получения и функционирования металл-органических полимеров на основе циклодекстринов для доставки и пролонгирования действия противоревматических лекарственных соединений» №18-29-04023 (2018-2020 гг.)

Грант РНФ «Фундаментальные и прикладные аспекты создания биодоступных противогрибковых препаратов». № 19-13-00017. 2019-2021 гг.

Грант РНФ «Дизайн и исследование новых многокомпонентных кристаллических  форм антигельменных лекарственных соединений. Совместное применение экспериментальных подходов и методов молекулярного моделирования». № 19-73-10005. 2019-2021 гг.

 Грант РФФИ «Оптимизация параметров активности, растворимости и мембранной проницаемости за счет структурной модификации аминопроизводных адамантана для создания биодоступных лекарственных соединений». № 19-53-18003 (Болг_а) 2020-2021 гг.

Старший научный сотрудник
Кандидат химических наук
Научный сотрудник
Кандидат химических наук

Главы в монографиях:

1. Tatyana V. Volkova, Alexey N. Proshin and Irina V. Terekhova. Novel 1,2,4-Thiadiazole Derivatives: Biological and Physicochemical Properties and Their Improvement Using Cyclodextrins and Polymers. In " Thiadiazoles: Advances in Research and Applications". Ed. Alberto Cohen. Nova Science Publishers, Inc. 11.2020, 230 p. (PP. 101-173).  ISBN: 978-1-53618-878-3. https://novapublishers.com/shop/thiadiazoles-advances-in-research-and-ap...

2. Artem O. Surov, Tatyana V. Volkova and German L. Perlovich. Design of Bioavailable Drugs on Basis of 1,2,4-Thiadiazoles: Solubility Improvement via Modification of Crystal Structure and Solvation Characteristics. In " Thiadiazoles: Advances in Research and Applications". Ed. Alberto Cohen. Nova Science Publishers, Inc. 11.2020, 230 p. (PP. 1-101). ISBN: 978-1-53618-878-3. https://novapublishers.com/shop/thiadiazoles-advances-in-research-and-ap...

3. Перлович Г.Л., Волкова Т.В., Суров А.О. Процессы растворения, распределения и мембранной проницаемости 1,2,4-тадиазолов: разработка подходов создания биодоступных лекарственных соединений. //Химия растворов биологически активных веществ (Проблемы химии растворов) / Отв. ред. А.Ю. Цивадзе. – Иваново, 2016. - ISBN 978-5-904580-41-4

Статьи в журналах 2018 - 2020:

1. Volkova T.V., Simonova O.R., Perlovich, G. L. (2021). Thiazolidine-2,4-dione derivative in 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin solutions: Complexation/solubilization, distribution and permeability, J. Mol. Liq. 333, 115931

2. Volkova T. V., Levshin I.B., Perlovich, G. L. (2020). New antifungal compound: Solubility thermodynamics and partitioning processes in biologically relevant solvents. Journal of Molecular Liquids, 310, 113148. doi:10.1016/j.molliq.2020.113148

3. Volkova T.V., Perlovich, G. L. (2020). Comparative analysis of solubilization and complexation characteristics for new antifungal compound with cyclodextrins. Impact of cyclodextrins on distribution process. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 154, 105531. doi:10.1016/j.ejps.2020.105531

4. Tatyana V. Volkova, Ksenia V. Drozd, Artem O. Surov. (2020). Effect of polymers and cyclodextrins on solubility, permeability and distribution of enzalutamide and apalutamide antiandrogens. J. Mol. Liq. 114937 doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114937

5. Volkova, T., Surov, A., Terekhova, I. (2020). Metal–organic frameworks based on β-cyclodextrin: design and selective entrapment of non-steroidal anti-inflammatory drugs. Journal of Materials Science. 55, 13193–13205. doi:10.1007/s10853-020-04937-4

6. Perlovich, G. L., Volkova, T. V. (2020). Interrelation of Thermodynamic Sublimation Characteristics with Crystal Structure: Adamantane and Memantine Derivatives of Sulfonamide Molecular Crystals. CrystEngComm. 22, 2573-2584 doi:10.1039/d0ce00108b

7. Kritskiy, I., Volkova, T., Sapozhnikova, T., Mazur, A., Tolstoy, P., Terekhova, I. (2020). Methotrexate-loaded metal-organic frameworks on the basis of γ-cyclodextrin: Design, characterization, in vitro and in vivo investigation. Materials Science and Engineering: C, 111, 110774. doi:10.1016/j.msec.2020.110774

8. A. N. Manin, K. V. Drozd, A. O. Surov, C. Andrei, T. V. Volkova, G. L. Perlovich. (2020). Identification of a previously unreported co-crystal form of acetazolamide: a combination of multiple experimental and virtual screening methods. Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 20867-20879 doi:10.1039/D0CP02700F

9. Tencheva, A., Liu, R., Volkova, T. V., Chayrov, R., Mitrev, Y., Štícha, M., Yuhuan Li, Hailun Jiang, Zhuorong Li, Ivanka Stankova, Perlovich, G. L. (2020). Synthetic analogues of memantine as neuroprotective and influenza viral inhibitors: in vitro and physicochemical studies. Amino Acids. 52, 1559-1580. doi:10.1007/s00726-020-02914-4

10. Volkova T.V., Domanina E.N., Chislov M.V., Proshin A.N., Terekhova I.V. (2020). Polymeric composites of 1,2,4-thiadiazole: solubility, dissolution and permeability assay. Therm. Anal. Calorim.  140, 2305–2315 doi.org/10.1007/s10973-019-08947-6

11. Volkova T., Kumeev R., Kochkina N., Terekhova I. (2019) Impact of Pluronics of different structure on pharmacologically relevant properties of sulfasalazine and methotrexate. J. Mol. Liq. 289, 111076

12. Agafonov M., Volkova T., Kumeev R., Chibunova E., Terekhova I. (2019). Impact of pluronic F127 on aqueous solubility and membrane permeability of antirheumatic compounds of different structure and polarity. J.Mol. Liq. 274, 770-777.

13. Kritskiy I., Volkova T., Surov A., Terekhova I. (2019). γ-Cyclodextrin-metal-organic frameworks as efficient microcontainers for encapsulation of leflunomide and acceleration of its transformation into teriflunomide // Carbohydr. Polym. 216, 224-230

14. Voronin, A. P., Volkova, T. V., Ilyukhin, A., Proshin, A. N., & Perlovich, G. L. (2020). Substituent Effect on the Packing Architecture of Adamantane and Memantine Derivatives of Sulfonamide Molecular Crystals. : CrystEngComm. 22, 349. doi:10.1039/c9ce01750j

15. Perlovich, G. L., Volkova, T. V. (2020). Interrelation of Thermodynamic Sublimation Characteristics with Crystal Structure: Adamantane and Memantine Derivatives of Sulfonamide Molecular Crystals. CrystEngComm, 2020, 1-3. doi:10.1039/d0ce00108b

16. Volkova, T. V., Domanina, E. N., Kumeev, R. S., Proshin, A. N., Terekhova, I. V. (2018). The effect of different polymers on the solubility, permeability and distribution of poor soluble 1,2,4-thiadiazole derivative. Journal of Molecular Liquids, 269, 492–500. doi:10.1016/j.molliq.2018.08.062

17. Kritskiy, I., Kumeev, R., Volkova, T., Shipilov, D., Kutyasheva, N., Grachev, M., & Terekhova, I. (2018). Selective binding of methotrexate to monomeric, dimeric and polymeric cyclodextrins. New Journal of Chemistry, 42(17), 14559–14567. doi:10.1039/c8nj02632g

18. Voronin, A. P., Volkova, T. V., Ilyukhin, A. B., Trofimova, T. P., Perlovich, G. L. (2018). Structural and energetic aspects of adamantane and memantine derivatives of sulfonamide molecular crystals: experimental and theoretical characterisation. CrystEngComm, 20(25), 3476–3489. doi:10.1039/c8ce00426a

19. Perlovich, G. L., Volkova, T. V. (2018). Sublimation thermodynamics aspects of adamantane and memantine derivatives of sulfonamide molecular crystals. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(30), 19784–19791. doi:10.1039/c8cp03716g