РУС ENG
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Российская Академия Наук

Лаборатория химии гликоконъюгатов (№52)

член-корреспондент РАН Нифантьев Николай Эдуардович
Заведующий: член-корреспондент РАН Нифантьев Николай Эдуардович
ORCID: 0000-0002-0727-4050 Researcher ID: O-6579-2015 h-index: 51
Основные направления исследований

Все исследования проводятся совместно с  Лабораторией синтетических гликовакцин (№41).

 

Обе лаборатории проводят исследования по структурному, спектральному (ЯМР), конформационному анализу и моделированию, а также изучению биологической активности природных и синтетических олиго- и полисахаридов. Разрабатываются новые методы химии углеводов, в особенности методы стереонаправленного построения 1,2-цис- и 1,2-транс-гликозидных связей, региоизбирательной постановки и удаления О- и N-защитных групп, получения аминосахаров путём азидофенилселенилирования гликалей, фуранозидных производных путём пиранозид-фуранозидной перегруппировки, высокосульфатированных олигосахаридов путём кислотнопромотированного сульфатирования, а также разнообразных других производных. Важнейшие направления работ связаны с получением функционализированных конъюгатов синтетических олигосахаридов, а также диагностических тестов и углеводных вакцин 3-его поколения для обнаружения и профилактики развития опасных бактериальных и грибковых инфекций. Ряд синтезированных соединений исследуются в качестве потенциальных лекарств для кардиологии, онкологии и гематологии.

 

Лучшие результаты

2021

✓  Изучены структура и биологическая активность сульфатированных полисахаридов из морских иглокожих и рыб

Проведено структурное и биохимическое исследование сульфатированных полисахаридов из морских животных. Так, из морской звезды Lysastrosoma anthosticta были выделены полисахариды дерматансульфат и гепариноид, содержащие необычный моносахаридный фрагмент — 2,3-ди-О-сульфатированную α-L-идуроновую кислоту. Оба полисахарида проявляли высокую антикоагулянтную активность. Аналогично, из морского огурца Holothuria hilla был выделен необычный высокоразветвленный фукозилированный хондроитинсульфат, содержащий фукозные заместители не только при О-3 остатка глюкуроновой кислоты, но и при О-6 остатка N-ацетил-галактозамина. Этот полисахарид является активным антикоагулянтом. Также найдено, что хондроитинсульфат из хряща рыбы Salmo salar и фукозилированный хондроитинсульфат из морского огурца Apostichopus japonicus являются не только антикоагулянтами, но и стимуляторами гемопоэза. Показано, что оба полисахарида эффективно восстанавливают популяции основных типов клеток крови у мышей после иммуносупрессии, вызванной циклофосфаном. Примечательно, что в аналогичных условиях рекомбинантный колониестимулирующий фактор (r G-CSF) восстанавливал только популяцию лейкоцитов. Полученные данные создают основу для разработки востребованных терапевтических стимуляторов гемопоэза нового типа.

 

✓  Впервые синтезированы олигосахариды, родственные узлу разветвления недавно открытого  галактоксиломаннана (GalXylMan) — полисахаридного антигена патогенных грибов Cryptococcus neoformans

Поверхность клетки патогенных грибов Cryptococcus neoformans покрыта капсулой, состоящей из сложной композиции полисахаридов. Этот патогенный гриб является возбудителем криптококкового менингита (криптококкоза) — тяжёлого инфекционного заболевания, поражающего головной мозг человека, особенно людей с ослабленным иммунитетом — онкобольных, пациентов с ВИЧ и др., но в 5–15% случаев криптококкоз развивается и у условно здоровых пациентов. Взаимодействие полисахаридов C. neoformans с рецепторами на клетках человека приводит к активации иммунитета для нейтрализации патогена. Для выяснения механизма данного процесса и установления фрагментов полисахаридов, распознавание которых может вызвать защитную реакцию иммунной системы, нами проводится систематический синтез соответствующих олигосахаридов и изучение их иммунологических свойств. Так, впервые синтезированы олигосахариды, родственные узлу разветвления недавно открытого галактоксиломаннана (GalXylMan) C. neoformans. С использованием полученных соединений был проведен структурный анализ полисахарида GalXylMan, а также исследование конформационной подвижности узла разветвления и галактофуранозных звеньев в GalXylMan. Полученные данные создали основу для моделирования взаимодействия полисахарида с белковыми рецепторами, а также разработки вакцин и новых диагностических тест-систем для обнаружения инфекции C. neoformans.

 

✓  Установлена структура первых представителей нового семейства антибиотиков — Гауземицинов А и В

Установлена структура первых представителей семейства нового класса природных антибиотиков, гауземицинов А и В, продуцируемых Streptomyces sp. штамма INA-Ac-5812. Антибиотики относятся к липогликопептидам, имеют циклический скелет и содержат редкие структурные элементы, особенно α-L-арабинопиранозный остаток, петидный кор и др. Показана выраженная Ca2+-зависимая активность гауземицинов А и В в отношении грамположительных бактерий, что создало перспективу для получения эффективных противобактериальных средств на основе полученных соединений после оптимизации их структур и профиля фармакологических характеристик.

Angew. Chem. Int. Ed., 60 (2021) 18694-18703

 

✓  Изучены 2-азидофенилселенилирование и 2-фенилселеноацетилирование гликалей

Разработаны препаративные условия для одностадийного 2-азидофенилселенилирования и 2-фенилселеноацетилирования гликалей. В первом случае реакция проводится при взаимодействии гликалей с Ph2Se2, PhI(OAc)2 и NaN3 при интенсивном перемешивании. Так, из 3,4,6-три-O-ацетил-D-галакталя с высоким выходом 58% образуется кристаллический фенил-3,4,6-три-O-ацетил-2-азидо-2-дезокси-1-селено-α-D-галактопиранозид — малодоступный другими методами, но очень эффективный блок для сборки сложных олигосахаридов. Найдено, что при проведении реакции без перемешивания образуются соответствующие 1-O-ацетил-2-селено-2-дезоксипроизводные — продукты ацетоксифенилселенилирования гликалей под действием PhI(OAc)2 и Ph2Se2. Указанные продукты являются удобными промежуточными соединениями для получения 2-дезоксисахаров. Проведено детальное исследование синтезированных 2-селено-2-дезоксигликозидов методами спектроскопии 1Н, 13С и 77Se ЯМР, в том числе впервые определены закономерности величин химических сдвигов и КССВ nJSe-H, в зависимости от стереохимической конфигурации моносахаридного кольца и аномерного центра.

Eur. J. Org. Chem. (2021) 5897-5904

 

✓  Изучена конформационная подвижность фуранозидных циклов

Для выяснения особенностей 3D-строения фуранозил-содержащих олигосахаридов, влияющих на их иммунологические свойства, проведены теоретические исследования конформационной подвижности галактофуранозильных остатков как в виде моносахаридов, так и в составе олигосахаридов. В работе сопоставлялись квантово-химические методы для анализа конформационного состояния, которые включали классический метод Хартри-Фока, метод функционала плотности (DFT) с различными функционалами (B3LYP, PBE0, а так же двойной гибридный функционал B2PLYP) и приближение RI-MP2. В случае функционала B3LYP использовалась так же дисперсионная коррекция Гримме D3. Кроме незамещённых фуранозидных производных исследованы и структуры, имеющие в своем составе остаток молочной кислоты при О-3. Найдено, что для адекватного описания конформационного равновесия необходимо использование как минимум метода DFT с дисперсионной поправкой. Методы RI-MP2 и B2PLYP так же демонстрировали удовлетворительные результаты, но при этом они являются существенно более требовательными к вычислительным ресурсам. Было показано, что в моносахаридах, модифицированных молочной кислотой, вращение данного остатка может вызывать конформационные переходы в фуранозидном кольце, чего обычно не наблюдается в пиранозидных структурах. Анализ оптимизированных структур методом Natural Bond Orbitals (NBO) позволил предположить, что этот эффект может быть связан с так называемым 1,3-син-диаксиальным расталкиванием неподеленных электронных пар на атомах кислорода О-3 и О-1. Так же был проведен квантово-механический расчет ЯМР констант экранирования 1Н фуранозидных колец. Выяснилось, что, в отличие от пиранозидов, константы экранирования в фуранозидах слабо меняются в зависимости от конформации пиранозного цикла.

 

✓  Исследована эпитопная специфичность антитела EB-CA1 из коммерческого диагностикума Candida albicans

Используя панель иммобилизованных на поверхности иммунологического планшета манноолигосахаридов (Glycoarray), структурно родственных фрагментам полисахарида маннана грибкового патогена Candida albicans, установлена эпитопная специфичность моноклонального антитела EB-CA1, которое используется в иммуноферментном диагностикуме Platelia Candida Antigen Plus (Bio-Rad, Франция). Указанный диагностикум предназначен для обнаружения в образцах сыворотки крови маннана как маркера инвазивного кандидоза, являющегося особо опасным грибковым заболеванием с высоким уровнем летальности. Поражение Candida, например для госпитализированных с инфекцией COVID-19, может кратно увеличивать вероятность смертельного исхода. Именно поэтому необходимость контроля маннанового маркера внесена в рекомендации по лечению и диагностике инфекции COVID-19. Проведённое исследование показало, что производителем набора Platelia Candida Antigen Plus неправильно установлена специфичность антитела EB-CA1, которое распознаёт трисахаридный эпитоп b-Man-(1®2)-a-Man-(1®2)-a-Man, а не гомо- a-(1®2)-связанный пентасахарид, как сообщается производителем. Это может снижать чувствительность и специфичность диагностикума на основе антитела EBCA-1. Полученные данные выявили пути для создания более эффективного антитела для обнаружения маркерного маннана.

 

2022

✓  Установлен механизм действия Неопетрозида А – активного компонента для создания антиинфарктного лекарства нового типа

В ходе химических и биохимических исследований in vitro и in vivo, а также компьютерного моделирования, установлен механизм действия Неопетрозида А. Микроколичества данного соединения были впервые охарактеризованы авторами среди экстрактивов из морской губки Neopetrosia, а благодаря направленному синтезу сначала была установлена точная структура, а теперь установлены и многообещающие фармакологические характеристики, открывающие возможность использования в качестве активного компонента при создании кардиопротектора нового типа. При исследовании биологической активности данного соединения найдено, что:

  • Неопетрозид А (NPS A) стабилизировал сердечную гемодинамику и дыхательную способность митохондрий ex vivo после ишемического/реперфузионного повреждения сердца крыс.
  • NPS A значительно предотвращал развитие кардиофиброза in vivo у мышей, с синдромом ишемии/реперфузии миокарда.
  • При действии NPS A in vivo и ex vivo сохраняются функции митохондрий.
  • Киназный скрининг in vitro, in silico моделирование, включая докинг, а также анализ с помощью SPR показали, что NPS A напрямую взаимодействует с киназой GSK-3b.
  • Ингибирование GSK-3b регулирует соотношение НАД/НАДФ путем независимой от фосфорилирования активации оси NRF2/NQO1.

Полученные результаты опубликованы в новом специализированном журнале JACC: Basic to Translational Science, издающимся известнейшей издательской группой в области кардиологии — Journal of the American College of Cardiology. Учитывая значимость проведённого исследования, ему посвящен подробный комментарий редакции (Editorial comment) «Sponging Away Cardiac Injury. A Natural Compound Shows Cardioprotective Promise» (Смягчение сердечно-сосудистых заболеваний. Природное соединение демонстрирует кардиозащитные свойства). Работа выполнена в сотрудничестве с ТИБОХ ДВО РАН и Inje University (Ю.Корея).

 

✓  Изучены структура и биологическая активность сульфатированных полисахаридов из трёх видов голотурий

Из голотурий выделены новые представители сульфатированных фукозосодержащих полисахаридов. Фукозилированные хондроитинсульфаты (ФХС) из всех трех видов имеют обычную структуру углеводной части и различаются только положением сульфатных групп. Частичная деполимеризация ФХС из C. japonica использована для подтверждения предложенной ранее интерпретации спектров ЯМР этих полисахаридов. Необычные фукансульфаты (ФС) найдены в двух других голотуриях: B. argus содержит редко встречающийся регулярный линейный ФС, тогда как в H. spinifera одновременно содержатся два ФС различной структуры.

 

✓  Разработан оптический наносенсор для анализа галактоманнана Aspergillus

Разработан оптический наносенсор для высокочувствительного и специфичного обнаружения галактоманнана — диагностического маркера опасного заболевания инвазивного аспергиллёза, вызываемого грибковым патогеном Aspergillus fumigatus. Метод позволяет обнаруживать галактоманнан в клинических изолятах при концентрациях менее 1 нг/мл, в том числе при автоматизированном проведении анализа. Основными компонентами диагностической тест-системы сэндвичевого типа являются синтетический олигосахарид, отражающий иммунодетерминантный фрагмент галактоманнана, моноклональное антитело, распознающее галактоманнан и полученное с использованием синтетического олигосахарида, а также наночастицы золота. Работа выполнена в сотрудничестве с ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФА Росстандарт), ООО ХЕМА и ГК «КОРТЭК».

 

2023

✓  Установлена структура высокоафинного лиганда рецептора DC-SIGN

Рецептор DC-SIGN, экспонированный на дендритных и некоторых других иммунных клетках, играет важную роль в формировании защитной реакции иммунной системы человека. Долгое время имелась противоречивая информация о структуре углеводных лигандов данного рецептора, экспонированных на поверхности клеток патогенов, распознавание которых индуцирует формирование защитной реакции иммунной системы. В частности, сообщалось, что такими лигандами являются производные олигосахаридов 34 и 35 (см. рисунок ниже), а также, что наиболее активный лиганд входит в состав гетерогенного разветвленного полисахарида маннана, экспонированного на клеточной мембране Candida albicans и ряда других микопатогенов. С использованием панели специально синтезированных олигосахаридов, родственных основным типам грибковых полисахаридов, была выявлена группа высокоспецифичных лигандов DC-SIGN, включающих пентаманнозидный фрагмент, состоящий из последовательности маннозных звеньев, соединенных между собой α-(1→2)- и α (1→3)-связями. Проведенные конформационный анализ, теоретический экспериментальный докинг (ЯМР-STD) позволили установить топологию углевод-белкового распознавания и выявить структуру высокоафинного эпитопа, вовлечённого во взаимодействие с DC-SIGN. Он не является общим для всех видов грибов, что может объяснять видоспецифический характер распознавания патогенов через рецептор DC-SIGN. Найденные высокоаффинные лиганды DC-SIGN являются не только инструментами для исследований механизмов грибкового врожденного иммунитета и антикандидозной защиты, но и создали основу для дизайна иммуномодуляторов и компонентов вакцин, которые уже ведутся авторами работы. Работа выполнена в сотрудничестве с Университетами Бильбао (Испания) и Экстера (Великобритания).

 

✓  Экспериментальное и квантово-химическое исследование механизмов внутримолекулярного стереоконтроля в реакциях α-глюкозилирования

Методами квантовой механики проведено изучение серии предполагаемых интермедиатов, образующихся в реакции глюкозилирования с участием глюкозил-трифлатов и соответствующих им оксокарбениевых ионов (см. рис.). В качестве модельных соединений использованы сполна бензилированные моносахариды, различающиеся заместителями при О-6. Методом функционала плотности проведено сканирование торсионного угла, описывающего вращение вокруг связи С5-С6 в исследованных структурах. Найдено, что замена заместителя при О-6 с бензильного на бензоильный приводит к заметному изменению конформационного поведения данной связи: вместо гош-гош конформера, характерного для обычных производных глюкозы, становится заметен вклад транс-гош конформера, а в случае электроотрицательных фторсодержащих бензоильных заместителей данный конформер становится преобладающим. Обнаруженный эффект был объяснён исходя из предположения, что наличие при О-6 бензоильного заместителя, особенно электроотрицательного, приводит к ослаблению 1,3-син-диаксиального расталкивания неподеленных пар на атомах кислорода О-6 и О-4. Данный вывод был подтвержден результатами квантово-химических расчетов методом NBO. Дополнительным вероятным объяснением наблюдаемого конформационного эффекта, вызываемого заместителем при О-6, может являться и π-π взаимодействие фенильных колец в транс-гош конформерах (показано красной стрелкой), возможность которого подтверждена расчетами. Полученные результаты могут быть объяснением наблюдаемого экспериментально изменения α/β-селктивности в реакциях глюкозилирования. Найденные закономерности влияния заместителя при О-6 были успешно использованы нами для стереоспецифичного синтеза серии α-(1→3)-связанных олигоглюкозидов, структурно родственных фрагментам α-(1→3)-D-глюкана патогенного грибка Aspergillus fumigatus.

 

✓  Cинтез олигосахаридов, отвечающих фрагментам поверхностных полисахаридов Klebsiella pneumoniae O3 и исследование их иммунохимические свойства

Впервые проведен стереонаправленный синтез олигосахаридов, отвечающих терминальным фрагментам O-цепи липополисахарида (ЛПС) патогенной бактерии Klebsiella pneumoniae серотипа O3, а также их биотинилированных конъюгатов. В сотрудничестве с коллегами из НИИ вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова (Москва), ФГБУ «НМИЦ онкологии» Минздрава России (Ростов-на-Дону), ФГБУ ДНКЦИБ ФМБА (С.-Петербург) с использованием специально разработанного метода для анализа антигенных свойств олигосахаридов, установлены иммунодетерминантные фрагменты О3-антигена, что создало основу для последующей разработки вакцины против госпитальных инфекций, вызываемых антибиотикорезистентными штаммами Klebsiella pneumoniae О3, — опаснейшего заболевания, характеризующегося тяжелым течением и высокой летальностью.

 

✓  Исследован уровень ASCA антител (маркер воспалительных заболеваний кишечника) в сыворотках крови пациентов с колоректальным раком и здоровых доноров

Впервые проведено систематическое исследование уровня антител к олигосахаридам, родственным известному маркеру воспалительных заболеваний кишечника (ASCA-антигену), в сыворотках крови пациентов с колоректальным раком и здоровых доноров. С использованием специально разработанных методик формирования углеводного дисплея определены структурные модификации в цепях α‑маннана, существенно изменяющие их антигенные свойства, а также выявлены перспективные олигосахаридные лиганды, демонстрирующие различные результаты для двух исследованных групп. Полученные результаты открывают новые возможности для совершенствования существующих тест-систем ИФА, а также для разработки диагностических наборов на основе фрагментов грибковых маннанов с новыми свойствами. В сотрудничестве с ФГБУ «НМИЦ онкологии» им. Н. Н. Блохина Минздрава России (Москва).

 

✓  Установлен механизм действия Неопетрозида B – активного компонента для создания антиинфарктного лекарства нового типа, обладающего противораковой активностью

Проведены биохимические исследования in vitro и in vivo, а также компьютерного моделирования, установлен механизм биологической активности Неопетрозида В. Микроколичества данного соединения были впервые охарактеризованы авторами среди экстрактивов из морской губки Neopetrosia, а благодаря направленному синтезу сначала была установлена точная структура, а теперь установлены и многообещающие фармакологические характеристики, открывающие возможность использования в качестве активного компонента при создании кардиопротектора нового типа, обладающего противораковым эффектом на уровне доксорубицина, но проявляющегося по иному механизму. Полученные результаты опубликованы в специализированном журнале Biomedicine & Pharmacotherapy. Работа выполнена в сотрудничестве с ТИБОХ ДВО РАН и Inje University (Ю.Корея).

 

 

 

 
Избранные публикации последних лет
Новости института
Учеными ИОХ РАН проведено комплексное исследование механизма каталитических реакций с участием N-гетероциклических карбенов Учеными ИОХ РАН проведено комплексное исследование механизма каталитических реакций с участием N-гетероциклических карбенов
N-Гетероциклические карбены (NHC) являются одними из лучших лигандов для использования в процессах, катализируемых переходными металлами. Это обусловлено…
В ИОХ РАН состоялось заседание диссертационного совета В ИОХ РАН состоялось заседание диссертационного совета
22 мая на заседании диссертационного совета прошли успешные кандидатские защиты. Касимова Анастасия Алексеевна представила диссертацию на соискание…
Команда ИОХ РАН по настольному теннису одержала победу в турнире «Кубок Победы» Команда ИОХ РАН по настольному теннису одержала победу в турнире «Кубок Победы»
19 мая состоялся Всероссийский турнир по настольному теннису «Кубок Победы», который был приурочены к празднику Победы советского народа в Великой Отечественной…
Ученые ИОХ РАН выступили на VII Северо-Кавказском симпозиуме по органической химии NCOCS-2024 Ученые ИОХ РАН выступили на VII Северо-Кавказском симпозиуме по органической химии NCOCS-2024
Международная конференция стартовала 12 мая на площадке Северо-Кавказского федерального университета. Более 250 ученых обсудили фундаментальные аспекты…
Учёные ИОХ РАН попали в рейтинг Лучших учёных-химиков России Учёные ИОХ РАН попали в рейтинг Лучших учёных-химиков России
Исследовательский портал Research.com выпустил третье издание рейтинга лучших учёных в области химии. Оно создано на основе сведений, объединённых из широкого…
Аспиранты ИОХ РАН — в числе победителей и призеров IV Школы молодых ученых Аспиранты ИОХ РАН — в числе победителей и призеров IV Школы молодых ученых
В РХТУ им. Д. И. Менделеева на факультете химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов состоялась IV Школа молодых ученых «Химия и технология…

Лаборатория химии гликоконъюгатов (№52) ORCID: 0000-0002-0727-4050 Researcher ID: O-6579-2015 h-index: 51 ST LUCE https://aid.ioc.ac.ru/ 5 100 .00 RUB http://schema.org/InStock