Błony biologiczne stanowią trudną do sforsowania barierę dla większości substancji rozpuszczalnych w wodzie, w tym zwłaszcza dla cząstek obdarzonych ładunkiem. Tymczasem wiele cząsteczek leków posiada w swojej strukturze łatwo jonizowalne grupy funkcyjne i w pH fizjologicznym występuje w postaci jonów ujemnych. Spowalnia to znacząco ich przenikanie do wnętrza komórek, co z kolei może osłabiać ich działanie, np. przeciwnowotworowe czy przeciwbakteryjne. Syntetyczne transportery anionów, czyli niewielkie, lipofilowe cząsteczki organiczne ułatwiające przenikanie anionów przez bariery lipofilowe, mogłyby pomóc w rozwiązaniu tego problemu przyspieszając migrację leków anionowych przez membrany lipofilowe. Co więcej, transportery takie potrafią reagować na bodźce, takie jak zmiana pH, obecność enzymów czy naświetlanie światłem o określonej długości fali, i dzięki temu mogłyby umożliwić kontrolę nad dostarczaniem leków we właściwe miejsce i w odpowiednim czasie.

W ramach naszego nowego grantu zamierzamy opracować przełączalne transportery molekularne dla leków anionowych. Cząsteczki takie mogłyby być przydatne m.in. w walce z lekoopornymi bakteriami i nowotworami, które należą do najpoważniejszych współczesnych zagrożeń dla zdrowia publicznego. Ponadto, opracowane przez nas transportery mogłyby też pomóc w komercjalizacji substancji aktywnych o słabej biodostępności, ograniczaniu skutków ubocznych szczególnie toksycznych leków i w zwalczaniu lekooporności.

Jeśli podobają Ci się te pomysły, dołącz do nas i pomóż nam je zrealizować! Zapraszamy przyszłych studentów studiów magisterskich i doktoranckich, a także młodych uczonych z doktoratem, do kontaktu z prof. Michałem Chmielewskim pod adresem: mchmielewski@chem.uw.edu.pl

We współpracy z zespołem prof. Agnieszki Szumnej z Instytutu Chemii Organicznej PAN wykazaliśmy, że rezorcyn[4]areny, tradycyjnie uznawane za receptory kationów, można w prosty sposób przekształcić w receptory i transportery anionów. Zmodyfikowane rezorcyn[4]areny wykorzystują wiązania wodorowe CH–anion – powszechnie uważane za słabe – do silnego wiązania anionów. Jest to możliwe dzięki unikalnym cechom geometrycznym tych receptorów, które pozwalają im wytworzyć duże momenty dipolowe (nawet 15,8 D) i skoncentrować wysoce dodatni potencjał elektrostatyczny w jednym punkcie.

Co więcej, pokazaliśmy również, że proste wstawienie grup alkilowych w pobliże miejsca wiążącego aniony sprawia, że ​​receptory stają się wyjątkowo odporne na wodę i aktywne w transporcie anionów przez dwuwarstwy lipidowe. Na przykład aktywność receptora 2 w wymianie Cl^–/NO₃^– przewyższa aktywność wszystkich wcześniej opisanych transporterów wiążących aniony wiązaniami CH. Rezorcyn[4]aren 2 wykazuje również niezwykłą selektywność w eksperymentach związanych z transportem anionów: Cl⁻ > OH⁻. Dzieje się tak prawdopodobnie ze względu na miękki charakter donorów CH i ich odporność na deprotonowanie. Taka selektywność jest wysoce pożądana w zastosowaniach medycznych, ponieważ minimalizuje toksyczność transporterów.

Synteza templatowana anionami nie jest już ograniczona do katenanów i rotaksanów naładowanych elektrycznie. Dzięki zastosowaniu w charakterze templatu anionów siarczanowych oraz dzięki blokom budulcowym o wyjątkowo silnym  powinowactwie do siarczanów udało nam się otrzymać fluorescencyjny katenan czuły na aniony siarczanowe, zdolny do ich nadzwyczaj mocnego wiązania nawet w środowisku o dużej zawartości wody. Co więcej, pokazaliśmy, że anion siarczanowy jest templatem przełączalnym przy pomocy zmian pH, i że dzięki temu można go zastosować do przełączania katenanu pomiędzy dwoma znacznie różniącymi się stanami. 

K. M. Bąk, B. Trzaskowski, M. J. Chmielewski “Anion-templated synthesis of a switchable fluorescent [2]catenane with sulfate sensing capability”

Chem. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D3SC05086F

Serdeczne gratulacje dla naszej doktorantki, Krystyny Maslowskiej-Jarzyny, która została wybrana do grona 100 najwybitniejszych młodych polskich uczonych, jako jedna z zaledwie 10. chemików z całej Polski i jako jedyna przedstawicielka naszego Wydziału!  Fundacja na rzecz Nauki Polskiej wybiera stypendystów programu START w drodze wieloetapowego konkursu, w którym oceniana jest jakość ich dotychczasowego dorobku naukowego.

Więcej informacji na stronach Fundacji.

Aniony są przeważnie zbyt hydrofilowe, żeby mogły swobodnie przenikać przez błony biologiczne. Dotyczy to również tych leków, które w pH fizjologicznym występują w postaci anionowej. Syntetyczne transportery anionów, czyli niewielkie, lipofilowe cząsteczki organiczne ułatwiające przenikanie anionów przez bariery lipofilowe, potrafią przyspieszać dyfuzję anionów przez dwuwarstwy lipidowe o wiele rzędów wielkości i dzięki temu mogłyby radykalnie zwiększyć skuteczność działania leków o charakterze anionowym. Co więcej, transportery, których aktywnością można sterować przy użyciu światła, pH lub innych bodźców, mogłyby umożliwić celowane dostarczanie leków w odpowiednie miejsce i w odpowiednim czasie. Celem niniejszego projektu jest opracowanie pierwszych przełączalnych transporterów molekularnych dla leków anionowych i zademonstrowanie w ten sposób nowego sposobu sterowania dostarczaniem leków. W jego ramach podejmiemy badania nad konstrukcją transporterów przełączalnych przy pomocy zmian pH albo naświetlania światłem o określonej długości fali. Mamy nadzieję, że badania te zaowocują powstaniem nowej strategii inteligentnego dostarczania leków, która może w przyszłości znaleźć praktyczne zastosowanie np. w leczeniu nowotworów.

Debashis ukończył chemię na IIT Bombay (Indie) w 2015, a następnie doktorat z chemii supramolekularnej anionów w IISER Pune (Indie) pod kierunkiem prof. Pinaki’ego Talukdara (2022). We wrześniu 2022 dołączył do Laboratorium Chemii Supramolekularnej jako badacz wizytujący (post-doc) w celu realizacji grantu NCN OPUS pt. „Selektywny transport anionów o znaczeniu biologicznym przez dwuwarstwy lipidowe”.

Twitter: https://twitter.com/DebashisJMChem

Serdecznie witamy!

Transportery chlorków są intensywnie badane ze względu na ich potencjalne zastosowania medyczne. W szczególności transportery, których aktywność można regulować przy pomocy pH, są bardzo atrakcyjne jako potencjalne środki antynowotworowe, ponieważ mogą być bardziej aktywne w komórkach rakowych niż w zdrowych. Dzięki swojej wyjątkowo wysokiej kwasowości nasz najnowszy, 3,6-dinitropodstawiony receptor karbazolowy działa jako taki właśnie transporter przełączalny, o pozornym pKa = 6,4, a więc bliskim fizjologicznego. Więcej w naszej najnowszej publikacji w specjalnym numerze Frontiers in Chemistry, poświęconym transportowi anionów:

Maslowska-Jarzyna, M. L. Korczak, M. J. Chmielewski, “Boosting Anion Transport Activity of Diamidocarbazoles by Electron Withdrawing Substituents” Front. Chem., 2021, 9:690035.

MOF-y przewodzące prąd elektryczny to fascynująca klasa materiałów porowatych o licznych potencjalnych zastosowaniach, takich jak przechowywanie energii, elektrokataliza czy konstrukcja sensorów. Dzięki stypendium Bekkera z NAWA dr hab. Michał Chmielewski nawiązał współpracę z jednym z pionierów i liderów rozwoju tych materiałów, prof. Mircea Dincă z Massachusetts Institute of Technology. Pierwszym owocem tej współpracy jest wspólna publikacja w prestiżowym Angewandte Chemie International Edition, w której pokazujemy nowy typ bloków budulcowych do konstrukcji MOF-ów przewodzących:

Leki, metabolity i inne ważne biologicznie aniony mogą być z łatwością transportowane przez membrany biologiczne za pomocą prostego receptora di(tioamidowego) opracowanego w naszym laboratorium. We współpracy z grupą profesora Alexandra Krosa z Uniwersytetu w Lejdzie pokazaliśmy, że kinetykę transportu wielu ważnych anionów można łatwo mierzyć zarówno w dużych jak i w gigantycznych liposomach jednowarstwowych (tzw. LUV-ach i w GUV-ach).