Закономерности взаимодействия дендримеров с биологическими структурами

УДК 577.3

Дмитрук, О. Г. Закономерности взаимодействия дендриме
ров с биологически ми структурами / О. Г. Дмитрук, В. М. Абашкин, Д. Г. Щербин. – Минск : Беларуская навука, 2021. – 207 с. – 
ISBN 978-985-08-2667-1.

Наноразмерные древовидные синтетические полимеры – дендриме ры,  

в силу их уникальных структурных и физико-химических свойств, оказались 
исключительно удобным инструментарием для их применения во многих областях биологии и медицины. В книге рассмотрены вопросы синтеза дендримеров и возможностей их применения в различных областях биологии и медицины. Показано, что дендримеры могут применяться для доставки лекарственных препаратов и контрастных агентов, генов и короткоцепочечных РНК, 
а также в качестве лекарств. 

Издание предназначено для биофизиков, биохимиков и студентов биоло
гических специальностей.

Табл. 8. Ил. 69. Библиогр.: 512 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

доктор медицинских наук, профессор, академик НАН Беларуси  

В. А. Кульчицкий,

доктор биологических наук В. Г. Вересов

ISBN 978-985-08-2667-1
© Дмитрук О. Г., Абашкин В. М.,  
    Щербин Д. Г., 2021
© Оформление. РУП «Издательский 
    дом «Беларуская навука», 2021

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А
– анизотропия флуоресценции

АНС
– 1-анилинонафталин-8-сульфонат

АСМ
АСТ 

–
–

атомно-силовая микроскопия
аспартат аминотрансферазы человека

АХЭ
– ацетилхолинэстераза

БЛМ
– бислойные липидные мембраны

БСА
– бычий сывороточный альбумин

ВИЧ
– вирус иммунодефицита человека

Г2, Г3, Г4 и т. п.
– 2-, 3-, 4-я и т. п. генерации дендримеров

ГК
ДМФХ
ДНК
ДПФГ
ДПФХ
ДСК
дцРНК

–
–
–
–
–
–
–

гиппуровая кислота
димиристоилфосфатидилхолин
дезоксирибонуклеиновая кислота
дипалмитоилфосфатидилглицерин
дипалмитоилфосфатидилхолин
двойная сканирующая калориметрия
двухцепочечные РНК

ИТК
– изотермическая титруемая калориметрия

КД
– круговой дихроизм

кДНК
– комплементарная ДНК

ЛДГ-тест
мРНК

–
–

тест с лактат-дегидрогеназой
матричная РНК

МТТ-тест
– тест с (3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-2,5-диметил
тетра золиум бромидом 

миРНК
– малая интерферирующая РНК (short interfering 

RNA, siRNA)

МКПК
мнРНК
МРТ

–
–
–

мононуклеарные клетки периферической крови
малые некодирующие РНК
магнитно-резонансная томография

НК
– нуклеиновая кислота

НФ
– нейротрофный фактор

ОДН
– олигонуклеотид (oligodesoxynucleotide, ODN) 

ПАМАМ
– полиамидоаминный

ПЕИ
пиРНК

–
–

полиэтиленимин
piwi-interacting RNA, pi RNA

ППИ
пре-миРНК
при-микроРНК
ПЦР-РВ

–
–
–
–

полипропилениминный
предшественники миРНК
первичная микроРНК
полимеразная цепная реакция в реальном времени 

ПЭГ
РНК
ТФКТ

ФБР

–
–
–

–

полиэтиленгликоль
рибонуклеиновая кислота
триптофановая фосфоресценция при комнатной 
температуре
фосфатно-буферный раствор

ФИТЦ
– флуоресцеинизотиоцианат (fluorescein 

isothiocyanate, FITC)

ФКТ
ФХ
ФЭ

–
–
–

фосфоресценция при комнатной температуре
фосфатидилхолин
фосфатидилэтаноламин

ЧСА
– человеческий сывороточный альбумин

ЩФ
– щелочная фосфатаза Escherichia сoli

ЭБ
– этидиум бромид 

ЭПР
ЯМР

–
–

электронный парамагнитный резонанс
 ядерный магнитный резонанс

Cy3
– флуоресцентный зонд Cytodex 3

DAPI
DOTA
DTPA

–
–
–

флуоресцентный зонд 4’, 6-diamidino-2-phenylindole
додекантетрауксусная кислота
диэтилэтриамин пентаацетатная кислота

Р
– поляризация флуоресценции

pGFP
RISC

TIMP-2

–
–

–

ген зеленого флуоресцентного белка
РНК-индуцируемый комплекс выключения гена 
(RNA-induced silencing complex)
металлопротеиназа

ВВЕДЕНИЕ

Создание эффективных средств доставки генетического ма
териала в клетки с целью терапии заболеваний, которые не имеют 
эффективных средств лечения (генная терапия), а также создание новых конъюгатов для таргетного переноса в клетки лекарственных препаратов являются важнейшей задачей современных 
нанобиологии и наномедицины. Наноразмерные древовидные 
синтетические полимеры – дендримеры, в силу их уникальных 
структурных и физико-химических свойств, оказались исключительно удобным инструментарием для применения во многих 
областях молекулярной биологии. 

Хотя наиболее перспективным считается использование ден
дримеров в качестве новых синтетических векторов для эффективной доставки генетического материала в клетки-мишени в рамках генной терапии различных заболеваний, а также для доставки в клетки химиотерапевтических агентов, в настоящее время 
проводятся исследования по использованию дендримеров в качестве: биосовместимой оболочки для ионов гадолиния, применяемых в магниторезонансной томографии; препаратов для терапии 
прионных заболеваний и болезни Альцгеймера; антибактериальных и антивирусных агентов [1–7]. Ведутся многочисленные 
исследования в области использования дендримеров для доставки контрастных препаратов, конъюгации антител, в качестве детоксикантов, терапевтических агентов и др. [5–8].

В отличие от традиционных полимеров дендримеры пред
ставляют собой монодисперсные, структурно-контролируе- 
мые макромолекулярные архитектуры, подобные существующим 

в живых организмах, что позволяет выделить их в принципиально новый класс нанотехнологических полимеров. 

Уникальная древовидная структура дендримеров, представля
ющая собой топологическую модель в форме шара, образованного расходящимися во все стороны от центрального ядра ветвями мономерных субъединиц, обеспечивает им мультивалентную поверхность, содержащую большое число потенциально 
активных сайтов. Эффективное комплексообразование дендримеров с генетическим материалом, лекарствами, хелатами ионов 
металлов, другими наноматериалами позволяет создавать сложные наносистемы и многофункциональные наноконъюгаты, обеспечивающие эффективную и избирательную доставку нуклеиновых кислот, лекарственных препаратов, ионов металлов в клетки в рамках новых подходов для лечения заболеваний человека (так 
называемая концепция персонифицированной наномедицины). 

В настоящее время с учетом модификаций синтезировано 

более 200 видов дендримеров, которые можно разделить на три 
типа: катионные, нейтральные и анионные [1–8]. 

В отличие от классических линейных полимеров дендриме
ры могут комбинировать характерные для малых молекул свойства (монодисперсность, точно определенный состав, сравнительно низкую вязкость при высокой концентрации в растворе) 
с типичными для линейных полимеров характеристиками (высокая молекулярная масса и др.). 

Книга посвящена краткому описанию особенностей примене
ния дендримеров в биологии и медицине, в том числе и с учетом 
работ авторов. 

Глава 1

CИНТЕЗ ДЕНДРИМЕРОВ И РАЗЛИЧНЫЕ АСПЕКТЫ  

ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

1.1. Синтез дендримеров

Применение наноматериалов для создания новых лекарст
венных средств и доставки генетического материала в клетки является актуальной проблемой нанобиологии и наномедицины [1]. 
Дендримеры – наночастицы, объединяющие в себе свойства наноматериалов и синтетических полимеров, показали свои преимущества для применения во многих областях молекулярной 
биологии. Структура дендримера представлена на рис. 1.1.

Полимерная химия и технология традиционно фокусировали 

свое внимание на линейных полимерах. Однако в конце 1980-х гг. 
в группах Tomalia, Newkome, Vögtle [2, 3] был получен новый 
тип полимерных материалов, названных дендримерами (от греч. 
dendron – дерево). До появления дендримеров в химии широко 
использовались три класса макромолекулярных полимеров: линейные, пересекающиеся, разветвленные. В отличие от традиционных полимеров синтез дендримеров обеспечивает возможность получения монодисперсных, структурно-контролируемых 
макромолекулярных архитектур, что позволяет выделить дендримеры в принципиально новый класс нанотехнологических 
полимеров (согласно концепции и документам 7-й Рамочной 
программы и 8-й Рамочной программы Horizon 2020 Европейского союза, дендримеры входят в разделы по нанотехнологии, 
нанобиологии и наномедицине [2–4]). С 1979 г. для синтеза дендримеров применяются две основные стратегии: дивергентный 
метод, в котором рост дендрона начинается от ядра [2–4], и конвергентный метод, в котором уже готовые ветви дендримера 
присоединяются к ядру (рис. 1.2) [5]. 

Дивергентный метод, предложенный группами Tomalia  

и Vögtle [2–4], включает в себя присоединение мономерных модулей в радиальную структуру от ветви к ветви в соответствии 
с определенными правилами и принципами (рис. 1.2, А). 

Присоединенный слой дендримера называется его генерацией 

(рис. 1.1). В частности, рост дендримера происходит от слоя  
к слою – от генерации к генерации. На рис. 1.2, А представлен дендример нулевой генерации, обозначенный цифрой 0. Послойный 
рост ветвей дендримера приводит к увеличению его генерации. 
В конвергентном методе, предложенном Hawker и Frechet [5], 
сначала синтезируются ветви дендримера, которые на финальной 
стадии процесса присоединяются к ядру, образуя дендример 
(см. рис. 1.2, Б). Дивергентный метод успешно применяется для 
получения больших количеств дендримера, поскольку при каждом шаге, добавляющем слой (генерацию) дендримера, молярная 
масса дендримера удваивается. Дивергентный синтез незаменим 
для синтеза больших генераций дендримеров. В то же время неполный рост и некоторые побочные эффекты приводят к появлению несовершенных образцов. Дендримеры, получаемые с помощью данного подхода, очень сложно очистить, так как они имеют 
чрезвычайно сходную структуру со своими побочными продуктами. 

Рис. 1.1. Структура дендримера

Как и дивергентный, конвергентный метод имеет свои преи
мущества и недостатки. Преимуществами данного метода являются, во-первых, меньшие требования к точности синтеза, поскольку может быть обеспечена легкая очистка промежуточных 
продуктов, и, во-вторых, гораздо большая лабильность при конструировании различных ветвей. Конвергентный синтез дает 
возможность быстрого и дешевого синтеза малых генераций 
дендримеров. Значительным недостатком данного метода является большая сложность объединения ветвей вокруг фокальной 
точки при синтезе высоких генераций, что сильно ограничивает 
возможности данного подхода для дендримеров больших генераций. В настоящее время при развитии конвергентного подхода особое внимание уделяется развитию методологии синтеза 
би- и гиперядерных дендримеров и разветвленных мономеров. 
Данные технологии предполагают совмещение дивергентного  
и конвергентного методов синтеза [2–8]. 

Frechet et al. разработаны полиэфирные дендритные ветви, 

которые могут быть компонентами больших систем. Поверхности и ядра данных единиц используются в конъюгации с этими 

Рис. 1.2. Дивергентный (А) и конвергентный (Б) методы синтеза дендримеров: 
0 – дендример 0-й генерации; 1 – дендример 1-й генерации, содержащий ядро, 

один внутренний слой и один слой поверхностных групп [2–5]

дендронами, а также могут быть применены для других систем. 
Были синтезированы ротаксаны [9] с дендримерными концевыми 
группами, имеющие большое число липофильных групп, влияющих на растворимость и динамическое поведение. Ветви дендримера, синтезированного Frechet et al. [9], были соединены Циммерманом и соавт. [10–12] с двумя изофталевыми кислотами,  
в результате чего происходила их самосборка.

1.1.1. Структура ПАМАМ-дендримеров

Водорастворимые полиамидоаминные дендримеры постро
ены на основе этилендиаминного ядра и ветвей из метилакрилата 
и этилендиамина. У катионных дендримеров концевые группы 
заканчиваются NH3

+-группами, у нейтральных – OH-группами 

(рис. 1.3), у анионных (так называемые половинные генерации) – 

Рис. 1.3. Структура катионного ПАМАМ-дендримера 4-й генерации  

с этилендиаминным ядром [2–4]