Лаборатория химико-биологических исследований (ХБИ)

Направления/возможности:

Скрининг и доклинические исследования фармако-токсикологических свойств химических веществ, обладающих потенциальной гепатопротекторной, противоанемической, антиоксидантной, иммуномодулирующей и противовоспалительной активностью:

1. Синтез, изучение структуры, комплексообразующих свойств, биологической активности макроциклических соединений, в состав которых входят пиримидиновые (пиримидинофаны) или триазиновые фрагменты.
2. Разработка и внедрение в медицинскую и сельскохозяйственную практику пиримидин- или триазинсодержащих соединений («Мелафен» и др.).
3. Скрининг и доклинические исследования биологической эффективности (антихолинэстеразное, миорелаксантное действие и др.), токсичности и безопасности (ЛД/ЭД) ациклических и макроциклических соединений на основе урацила (соединения типа № 547) или иных N-гетероциклических соединений, действующих в области холинергических и катехол(индол)аминергических нервных окончаний. Изучение новых биологических свойств лекарственного средства «Ксимедон» и его аналогов. Скрининг антибактериальных средств.
4. Токсикологический, фармакологический и микробиологический контроль качества лекарственных средств в рамках работы «Регионального центра государственного контроля качества лекарственных средств» (Аттестат аккредитации № 1 от 9 апреля 2002 г.).
5. Эколого-токсикологическое биотестирование водных проб с простым (индивидуальные соединения) и многокомпонентным химическим составом (возвратные воды) в батарее биотестеров «простейшие – ракообразные (дафнии) — млекопитающие» в рамках темы кафедры прикладной экологии Казанского государственного университета «Развитие теоретических и прикладных основ экологического мониторинга», раздел «Экологическая токсикология и фармакология».
6. Учебно-научная деятельность в рамках работы «Филиала кафедры прикладной экологии факультета географии и экологии (ФГиЭ) Казанского государственного университета». Лекционные и практические занятия со студентами Казанского государственного университета по курсам «Экология животных» (ФГиЭ), «Экология человека» (ФГиЭ), «Экологическая токсикология» (ФГиЭ), «Экологическая фармакология» (ФГиЭ), «Основы нейрофармакологии» (факультет психологии), «Психофармакология» (факультет психологии), «Нейрофармакология» (биолого-почвенный факультет). Научное руководство курсовыми, дипломными, диссертационными работами студентов, аспирантов, соискателей по специальностям: 02.00.03 — Органическая химия, 03.00.16 — Экология, 14.00.20 — Токсикология, 14.00.25 – Фармакология и клиническая фармакология.

Результаты исследований

С помощью микроэлектродного метода отведения синаптических сигналов с изолированных поперечно-полосатых мышц разного функционального профиля (дыхательных и локомоторных – «быстрых», «медленных»; крысы) показано, что в отличие от ингибиторов ацетилхолинэстеразы (АХЭ; К.Ф. 3.1.1.7) фосфорорганической и карбаматной природы представитель алкиламмониевых производных 6-метилурацила — 1,3-бис[5(диэтил-о-нитробензиламмонио)пентил]-6-метилурацилдибромид (соединение № 547) – до 100 крат более эффективно инактивирует функциональную АХЭ в синапсах локомоторных мышц по сравнению с синапсами диафрагмальной мышцы, что свидетельствует об особенностях и различиях функционирования этого фермента в синапсах локомоторных и дыхательных мышц. Эти различия лежат в основе необычно высокого для ингибиторов холинэстераз коэффициента терапевтической безопасности соединения № 547 и ряда его аналогов, зафиксированного в опытах in vivo (ЛД50/ЭД50 до 100-200; тест бег на третбане). Соединение № 547 практически не влияет на АХЭ сердца и проявляет влияние на бутирилхолинэстеразу крови в концентрациях в 10000 раз больших, чем на АХЭ эритроцитов. Полученные результаты открывают новые возможности для избирательной фармакологической коррекции функций синапсов разных типов поперечно-полосатых мышц теплокровных, что раннее было невозможно [Отчет о деятельности Российской академии наук в 2006 г. Основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук. –М. -2007. –С. 72-73].

Синтезирован ряд пиримидинофанов и их ациклических аналогов различного состава и строения. Комплексом физико-химических методов (ЯМР, РСА, ИК, метод дипольных моментов, тензиометрия, динамическое светорассеяние) установлены особенности конформационного поведения пиримидинофанов в растворах и их состояние в кристаллах. Получены комплексы пиримидинофанов с электронодонорами (хлоранил, бензохинон) и солями металлов. Установлено, что амфифильные пиримидинофаны образуют в водных растворах наноконтейнеры, влияющие на скорость химических реакций. Пиримидинофаны протестированы на антимикробную активность (проявляют бактериостатическое действие по отношению к грам-положительным бактериям с МИК<1мкг/мл) и холинотропную активность.

В лаборатории создан препарат Мелафен, являющийся регулятором роста и развития растений нового поколения. Отличительной особенностью Мелафена является его высокая эффективность и широта действия при чрезвычайно низких применяемых концентрациях (1.10-8 – 1.10-7%). Кроме того, синтез препарата одностадийный с использованием в качестве исходных дешевых промышленно доступных продуктов. Предпосевная обработка семян широкого круга с/х культур препаратом в чрезвычайно низких концентрациях (1.10-8 – 1.10-7%) приводит к увеличению энергии прорастания и всхожести семян, к увеличению урожайности на 10-18 % и питательной ценности получаемой продукции на 10 %. Перспективной областью является применение Мелафена в биотехнологических процессах. Установлено, что использование Мелафена в биотехнологическом способе получения ценных лекарственных алкалоидов из культуры ткани Раувольфии змеиной в зависимости от способа обработки и концентраций (1.10-4 – 1.10-2 г/л) приводит к увеличению выхода суммы алкалоидов (аймалин, резерпин, иохимбин и др.) до 320% по сравнению с контролем. При аналогичном способе получения берберина из культуры ткани Василисника малого Мелафен в концентрации 5.10-5% сокращает время роста культуры с 20 до 15 суток при одновременном увеличении выхода берберина до 275 % по сравнению с контролем. Использование Мелафена в технологии ускоренного размножения картофеля меристемным способом (добавление в питательную среду в дозах 1.10-8 – 1.10-7%) приводит к повышению роста надземной массы растений (на 18.3-53.6% в зависимости от сорта), средней массы корней (на 128-177% в зависимости от сорта), и увеличивает клубнеобразование (на 5.0-14.6%). Показано, что Мелафен является перспективным консервантом при силосовании зеленой массы кукурузы и в концентрации 0,1 г на 1 тонну силосуемой массы приводит к улучшению качества и питательной ценности силоса.
Как было показано, Мелафен оказывает чрезвычайно широкое действие на биохимические процессы клетки, сходное с действием природных фитогормонов и АТФ. Препарат интенсифицирует энергетические процессы в клетке, в частности, дыхание и фотосинтез. Установлено, что в очень низких концентрациях (4.10-12 – 2.10-7 М) препарат оказывает влияние на энергетику митохондрий растительного и животного происхождения, изменяя физико-химические свойства липидного бислоя мембран. Мелафен увеличивает скорости переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий на 20-30 %. Было установлено, что Мелафен в концентрациях 1.10-6, 1.10-7, 1.10-8 М вызывает изменение уровня тирозинового фосфорилирования белков, что свидетельствует о его высокой эффективности в регуляции метаболизма клеток растений тирозинкиназной сигнальной системой. В опытах с Мелафеном (10-9 г/л) впервые обнаружено тирозиновое фосфорилирование белков цикла Кальвина – белков фотосинтетической ассимиляции углекислого газа в хлоропластах. Эти данные позволяют объяснить повышение фотосинтетической активности у растений и повышение урожайности и качества зерна при обработке семян с/х растений низкими дозами Мелафена. Практически все полученные результаты не только соответствуют мировому уровню, но и являются пионерскими в области синтетических биорегуляторов. Как показали исследования, препарат Мелафен не имеет аналогов в мире как по широте и эффективности действия, так и по применяемым дозам (одного грамма препарата достаточно для обработки 100 000 — 1 000 000 тонн семян, которых хватит для засева 500 000 — 5 000 000 гектаров посевных площадей).

Приборы и методы

Основные приборы: третбан («беговая дорожка») Nihon Kohden STS-7500A/CC-730DA (Япония); третбан «вращающийся стержень» Rota-rod treadmill for rats 7700 (Ugo Basile, Италия); автоматический электрокардиограф Cardiofax (Nihon Kohden, Япония); изометрические, изотонические датчики (cat. 7003-7004-7005, 7006) и регистратор (Unirecord 7050) сократительной активности изолированных мышц (Ugo Basile, Италия); актометр Animex Activity Meter type S (LKB Farad, Швеция).

Основные методы: Скрининг и изучение интегральной биоактивности и токсичности веществ в тестах с физической нагрузкой (in vivo), психотропной эффективности веществ в неврологических тестах (in vivo), антихолинэстеразной, курареподобной, миотропной (адрено-, дофамино-, серотонино- тропной) эффективности веществ на изолированных препаратах поперечно-полосатых и гладких мышц (ex vivo), микроэлектродные исследования эффектов веществ на параметры синаптических сигналов изолированных нервно-мышечных препаратов (ex vivo), биотестирование острой и хронической (эмбриональной) токсичности веществ на лабораторной партеногенетической культуре дафний Daphnia magna S.

Связи с другими институтами и международное сотрудничество

Синтез, скрининг и изучение механизма действия нового класса высокоселективных ингибиторов ацетилхолинэстеразы (К.Ф.3.1.1.7) — алкиламмониевых производных урацила — проводится совместно с лабораторией биофизики синаптических процессов Казанского института биохимии и биофизики КазНЦ РАН, с Государственным научно-исследовательским институтом органической химии и технологии (ФГУП ГосНИИОХТ, г. Москва), с лабораторией INSERM U686, Biologie des Jonctions Neuromusculaires Normales et Pathologiques, Universite Rene Descartes (45 rue des Saints-Peres, Paris, F-75006, France).

Лаборатория также поддерживает контакты с Казанским госуниверситетом (факультет географии и экологии, биолого-почвенный факультет, химический институт им. А.М. Бутлерова), с Институтом физиологически активных веществ (г. Черноголовка, Московской обл.), с Институтом экогигиены и токсикологии им. Л.И. Медведя (г. Киев, Украина).

По препарату Мелафен лаборатория сотрудничает с ведущими научными центрами РАН: Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева, Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН; Московский государственный университет; Институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов; Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений.

Патенты

1. Патент РФ № 2174555 от 10.10.2001 г. // Способ получения аймалина. В.Г. Винтер, С.Г.Фаттахов, Р.Ю. Козлова, В.С. Резник, А.И. Коновалов.
2. Патент РФ № 2211835 // Пиперазиновая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, обладающая антигельминтной активностью, авторы Фаттахов С.Г., Лутфуллин М.Х., Залялов И.Н., Гайсина Л.А., Резник В.С., Латыпов Д.Г., Магдеев И.М., Синяшин О.Г.
3. Пат. РФ № 2211835 // Пиперазиновая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, обладающая антигельминтной активностью. Фаттахов С.Г., Лутфуллин М.Х., Залялов И.Н., Гайсина Л.А., Резник В.С., Латыпов Д.Г., Магдеев И. М., Синяшин О.Г.
4. Патент РФ № 2198245 от 10.02.2003 // Способ ингибирования коррозии и композиции для его осуществления Резник В.С., Коновалов А.И., Акамсин В.Д., Ходырев Ю.П., Галяметдинова И.В., Михайлов А.С., Курамшин А.К., Галиакберов Р.М.