vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2019-55-2-163-170vestich-386Research ArticleОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯORGANIC CHEMISTRYКвантово-химическое моделирование метотрексат-фуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеванийQuantum-chemical modeling of methotrexate fullerenol radionuclide agents for cancer therapyДикусарЕ. А.DikusarE. A.

Дикусар Евгений Анатольевич – канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Evgenij A. Dikusar – Ph. D. (Chemistry), Senior researcher

13, Surganov Str., 220072, Minsk

dikusar@ifoch.bas-net.byПушкарчукА. Л.PushkarchukA. L.

Пушкарчук Александр Леонидович – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Alexander L. Pushkarchuk – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

13, Surganov Str., 220072, Minsk

alexp@ifoch.bas-net.byБезъязычнаяТ. В.BezyazychnayaT. V.

Безъязычная Татьяна Владимировна – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Tatsiana V. Bezyazychnaya – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

13, Surganov Str., 220072, Minsk

kvant@ifoch.bas-net.byПоткинВ. И.PotkinV. I.

Поткин Владимир Иванович – член-корреспондент, д-р хим. наук, профессор, зав. отделом органической химии

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Vladimir I. Potkin – Corresponding Member, D. Sc. (Chemistry), Professor, Head of the Department

13, Surganov Str., 220072, Minsk

potkin@ifoch.basnet.byСолдатовА. Г.SoldatovA. G.

Солдатов Андрей Геннадьевич – канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Andrei G. Soldatov – Ph. D. (Chemistry), Senior researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

andreisoldatov@mail.ruКутеньС. А.KutenS. A.

Кутень Семен Адамович – канд. физ.-мат. наук., зав. лаб. теоретической физики и моделирования ядерных процессов

ул. Бобруйская, 11, 220030, Минск

Siamion A. Kutsen – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

11, Bobruiskaya Str., 220030, Minsk

kut@inp.bsu.byСтёпинС. Г.StepinS. G.

Стёпин Святослав Генрихович – канд. хим. наук, доцент

пр-т Фрунзе, 27, 210023, Витебск

Svjatoslav G. Stepin – Ph. D. (Chemistry), Associate Professor

17, Frunze Ave., 210023, Vitebsk

stepins@tut.byНизовцевА. П.NizovtsevA. P.

Низовцев Александр Павлович – д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник

пр. Независимости, 68, 220072, Минск

Alexander P. Nizovtsev – D. Sc. (Physics and Mathematics), Leading researcher

68, Independence Ave., 220072, Minsk

apniz@ifanbel.bas-net.byКилинС. Я.KilinS. Ya.

Kилин Сергей Яковлевич – академик, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. Центром квантовой оптики и квантовой информатики

пр. Независимости, 68, 220072, Минск

Sergei Y. Kilin – Academician, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Center of Quantum Optics and Quantum Informatics

68, Independence Ave., 220072, Minsk

kilin@ifanbel.bas-net.byИнститут физико-органической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of BelarusНаучно-практический центр по материаловедению Национальной академии наук БеларусиScientifc-practical Material Research Center of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут ядерных проблем Белорусского государственного университетаBelarusian State UniversityВитебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университетVitebsk State Order of Peoples’ Friendship Medical UniversityИнститут физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus201928062019552163170Copyright © Дикусар Е.А., Пушкарчук А.Л., Безъязычная Т.В., Поткин В.И., Солдатов А.Г., Кутень С.А., Стёпин С.Г., Низовцев А.П., Килин С.Я., 20192019Дикусар Е.А., Пушкарчук А.Л., Безъязычная Т.В., Поткин В.И., Солдатов А.Г., Кутень С.А., Стёпин С.Г., Низовцев А.П., Килин С.Я.Dikusar E.A., Pushkarchuk A.L., Bezyazychnaya T.V., Potkin V.I., Soldatov A.G., Kuten S.A., Stepin S.G., Nizovtsev A.P., Kilin S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/386

С целью терапевтического уничтожения онкологических новообразований обычно применяют химиотерапию или лучевую терапию, а в изотопной медицине – вводят в опухоль соответствующие короткоживущие радионуклиды (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Бинарная (или нейтронозахватная) – технология, разработанная для избирательного воздействия на злокачественные новообразования и использующая тропные к опухолям препараты, содержащие нерадиоактивные нуклиды (10B, 113Cd, 157Gd и др.) Триадная – последовательное введение в организм комбинации из двух и более, по отдельности неактивных и безвредных компонентов, тропных к опухолевым тканям и способных в них селективно накапливаться или вступать друг с другом в химическое взаимодействие и уничтожать опухолевые новообразования под действием определенных сенсибилизирующих внешних воздействий. Целью настоящей работы является квантово-химическое моделирование электронной структуры и анализ термодинамической устойчивости новых метотрексатсодержащих фуллереноловых радионуклидных наноразмерных агентов-истребителей опухолевых новообразований. Необходимость предварительных исследований по моделированию такого рода объектов обусловлена очень высокой трудоемкостью, стоимостью и сложностью их практического получения.

In order to therapeutically destroy cancer neoplasms, chemotherapy or radiotherapy are commonly used. In the isotope medicine, however, medical isotopes of the short-lived radionuclides are injected into the tumor (59Fe, 90Y, 95Zr, 99mTc, 106Ru, 114*In, 147Eu, 148Eu, 155Eu, 170Tm, 188Re, 210Po, 222Rn, 230U, 237Pu, 240Cm, 241Cm, 253Es). Binary, or neutroncapturing, technology is a technology developed for the selective effect on malignant tumors and using a tropic to tumors preparations containing non-radioactive nuclides (10B, 113Cd, 157Gd et. al.). Triadic technology is a sequential administration of a combination of two or more separately inactive and harmless components tropic to tumor tissues that can selectively accumulate in them or react with each other to destroy tumors under certain external impacts. The aim of this work is the quantum-chemical modeling of the electronic structure and the analysis of the thermodynamic stability of the new methotrexate containing nanoscale fullerenolic radionuclide tumor-fghting agents. The need for preliminary studies on modeling of such objects is caused by the very high labor intensity, cost and complexity of their practical preparation.

DFT-моделирование электронной структурыметотрексатфуллереноловые кластерыагенты-истребители опухолевых новообразованийDFT-modeling of electronic structuremethothrexatefullerenol clusterstumor neoplasm fghtersРабота выполнена при финансовой поддержке Государственной программы научных исследований «Конвергенция 2020».This work has been performed with the financial support of the State program of scientific research «Convergence 2020».ReferencesMayles, P. Handbook of Radiation Therapy Physics: Theory and Practice / P. Mayles, A. Nahum, J. C. Rosenwald. – Taylon & Francis, 2007. – 1450 p. https://doi.org/10.1201/9781420012026Mayles P., Nahum A., Rosenwald J. C. Handbook of Radiation Therapy Physics: Theory and Practice. Taylon & Francis, 2007. 1450 p. https://doi.org/10.1201/9781420012026Hosmane, N. S. Boron and Gadolinium Neutron Capture Therapy for Cancer Treatment / N. S. Hosmane, J. A. Maquire, Y. Zhu. – World Scientifc Publishing Co. Pte. Ltd., 2012. – 300 p. https://doi.org/10.1142/8056Hosmane N. S., Maquire J. A., Zhu Y. Boron and Gadolinium Neutron Capture Therapy for Cancer Treatment. World Scientifc Publishing Co. Pte. Ltd., 2012. 300 p. https://doi.org/10.1142/8056Vorst, A. V. RF/ Microwave Interaction with Biological Tissues / A. V. Vorst, A. Rosen, Y. Kotsuka. – IEEE Press, Wiley Interscience, A John Wiley & Sons., Inc., Publ., 2006. – 346 p. https://doi.org/10.1002/0471752053Vorst A. V., Rosen A., Kotsuka Y. RF/Microwave Interaction with Biological Tissues. IEEE Press, Wiley Interscience, A John Wiley & Sons., Inc., Publ., 2006. 346 p. https://doi.org/10.1002/0471752053Water Entrapped inside Fullerene Cages: A Potential Probe for Evaluation of Bond Polarization / Y. Hashikawa [еt al.] // Angew. Chemie. Intern. Ed. – 2016. – Vol. 55, № 42. – P. 13109–13113. https://doi.org/10.1002/anie.201607040Hashikawa Y., Murata M., Wakamiya A., Murata Y. Water Entrapped inside Fullerene Cages: A Potential Probe for Evaluation of Bond Polarization. Angewandte Chemie International Edition, 2016, vol. 55, no. 42, pp. 13109–13113. https://doi.org/10.1002/anie.201607040Isolation of the simplest hydrated acid / R. Zang [еt al.] // Sci. Adv. – 2017. – Vol. 3, № 4. – e1602833. https://doi.org/10.1126/sciadv.1602833.Zang, R., Murata M., Wakamiya A., Shimoaka T., Hasagawa T., Murata Y. / Isolation of the simplest hydrated acid. Science Advances, vol. 3, no. 4, e1602833. https://doi.org/10.1126/sciadv.1602833Противоопухолевая активность производных фуллерена и возможности их использования для адресной доставки лекарств / М. А. Орлова [и др.] // Онкогематология. – 2013. – № 2. – С. 83–89.Orlova M. A., Trofmova T. P., Orlov A. P., Shatalov O. A., Napolov Yu. K., Svistunov A. A., Chekhonin V. P. Antitumor activity of fullerene derivatives and their possible use for target drug delivery. Onkogematologiya = Oncohematology, 2013, no. 2, pp. 83–89 (in Russian).Ghosh, S. K. Concepts and Methods in Modern Theoretical Chemistry. Atoms, Molecules and Clusters / S. K. Ghosh, P. K. Chattaraj. – CRC Press, 2013. – 856 p. https://doi.org/10.1201/b15083Ghosh S. K., Chattaraj P. K. Concepts and Methods in Modern Theoretical Chemistry. Atoms, Molecules and Clusters. CRC Press, 2013. 856 p. https://doi.org/10.1201/b15083General Atomic and Molecular Electronic-Structure System / M. W. Shmidt [et al.] // J. Comput. Chem. – 1993. – Vol. 14, № 7. – P. 1347–1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112Shmidt M. W., Baldridge K. K., Boatz J. A., Elbert S. T., Gordon M. S., Jensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K. A., Su S. J., Windus T. L., Dupuis M., Montgomery J. A. / General Atomic and Molecular Electronic-Structure System. Journal of Computational Chemistry, 1993, vol. 14, no. 7, pp. 1347–1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112Huzinaga, S. Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations / S. Huzinaga, J. M. Andzelm, M. Klobukowski. – Amsterdam: Elsevier, 1984. – 340 p.Huzinaga S., Andzelm J. M., Klobukowski M. Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations. Amsterdam: Elsevier, 1984. 340 p.Huennekers, F. M. The methotrexate story: a paradigm development of cancer therapeutic agents / F. M. Huennekers // Adv. Enzyme Regulation. – 1994. – Vol. 34, N 1. – P. 392–419. https://doi.org/10.1016/0065-2571(94)90025-6Huennekers F. M. The methotrexate story: a paradigm development of cancer therapeutic agents. Advances in Enzyme Regulation, 1994, vol. 34, no. 1, pp. 392–419. https://doi.org/10.1016/0065-2571(94)90025-6Adelstein, S. J. Isotopes for Medicine and the Life Sciences / S. J. Adelstein, F. J. Manning. – Committee on Biomedical Isotopes, Institute of Medicine, 1995. – 144 p. https://doi.org/10.17226/4818Adelstein S. J., Manning F. J. Isotopes for Medicine and the Life Sciences. Committee on Biomedical Isotopes, Institute of Medicine, 1995. 144 p. https://doi.org/10.17226/4818Bergmann, H. Radioactive Isotopes in Clinical Medicine and Research / H. Bergmann, H. Sinzinger. – Basel: Rirkhäuser Verlag, 1995. – 300 p. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7340-6Bergmann H., Sinzinger H. Radioactive Isotopes in Clinical Medicine and Research. Basel, Rirkhäuser Verlag, 1995. 300 p. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-7340-6Thayer, J. S. Relativistic Effects and the Chemistry of the Heavier Main Group Elements / J. S. Thayer // Relativistic Methods of Chemists. Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics. – N.-Y.: Springer, 2010. – Vol. 10. – P. 63–97. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9975-5_2Thayer J. S. Relativistic Effects and the Chemistry of the Heavier Main Group Elements. Relativistic Methods of Chemists. Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics. N.-Y., Springer, 2010, vol. 10, pp. 63–97. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-9975-5_2Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report) / J. R. de Laeter [еt al.] // Pure and Appl. Chem. – 2003. – Vol. 75, № 6. – P. 683–800. https://doi.org/10.1351/pac200375060683de Laeter J. R., Böhlke J. K., Bièvre P. D., Hidaka H., Peiser H. S., Rosman K. J. R., Taylor P. D. P. Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, 2003, vol. 75, no. 6, pp. 683–800. https://doi.org/10.1351/pac200375060683Polonium-210 as a Poison in London / J. Harrison [еt al.] // J. Radiolog. Protection. – 2007. – Vol. 27, № 1. – P. 17–40. https://doi.org/10.1088/0952-4746/27/1/001Harrison J., Leggett R., Lloyd D., Phipps A., Scott B. Polonium-210 as a Poison in London. Journal of Radiological Protection, 2007, vol. 27, no. 1, pp. 17–40. https://doi.org/10.1088/0952-4746/27/1/001The Nubase evaluation of nuclear and decay properties / G. Audi [еt al.] // Nuclear Phys. A. – 2003. – Vol. 729, № 1. – P. 3–128. https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001Audi G., Berscillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 2003, vol. 729, no. 1, pp. 3–128. https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001Аномальная диффузия радионуклидов в сильно неоднородных геологических формациях / В. М. Головизнин [и др.]; под. ред. Л. А. Большова; Ин-т проблем безопасного развития атомной энергетики РАН. – М.: Наука, 2010. – 342 с.Goloviznin V. М., Kondratenko P.S., Matveev L.V., Korotkin I. А., Dranikov I.L. Abnormal diffusion of radionuclides in highly heterogeneous geological formations. Мoscow, Nauka Publ., 2010. 342 p. (in Russian).The Structure of Biological Membrans / Ed. P. L. Yeagle. – The 3-th edit. – CRC Press Book: Tailor and Frances Gr., 2011. – 398 p. https://doi.org/10.1201/b11018Yeagle P. L. (ed.). The Structure of Biological Membrans. 3-th edit. CRC Press Book: Tailor and Frances Gr., 2011. 398 p. https://doi.org/10.1201/b11018Membrane Transport in Biology / Ed. G. Giebisch, D. C. Tosteson, H. H. Ussing; Assoc. Ed. M. T. Tosteson. – Berlin, Heidelberg, N.-Y.: Springer-Verlag, 1979. – Vol. 2. Transport Across Single Biological Membranes. – 444 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-46375-4Giebisch G., Tosteson D. C., Ussing H. H. (eds.) Membrane Transport in Biology. Vol. 2. Transport Across Single Biological Membranes. Berlin, Heidelberg, N.-Y., Springer-Verlag, 1979. 444 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-46375-4Nanotargeted Radionuclides for Cancer Nuclear Imaging and Internal Radiotherapy / G. Ting [еt al.] // Journal of Biomedicine and Biotechnology. – 2010. – Vol. 2010. – Article ID 953537. – P. 1–17. https://doi.org/10.1155/2010/953537Ting G., Chang C.-H., Wang H.-E., Lee T.-W. Nanotargeted Radionuclides for Cancer Nuclear Imaging and Internal Radiotherapy. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2010, vol. 2010, Article ID 953537, pp. 1–17. https://doi.org/10.1155/2010/953537Coenen, H. H. No-Carrier-Added Radiohalogenation Methods with Heavy Halogens / H. H. Coenen, S. M. Moerlein, G. Stöckin // Radiochem. Acta. – 1983. – Vol. 34, № 1–2. – P. 47–68. https://doi.org/10.1524/ract.1983.34.12.47Coenen H. H., Moerlein S. M., Stöckin G. No-Carrier-Added Radiohalogenation Methods with Heavy Halogens. Radiochimica Acta, 1983, vol. 34, no. 1–2, pp. 47–68. https://doi.org/10.1524/ract.1983.34.12.47Sandler, S. I. Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics / S. I. Sandler. – John Wiley & Sons., Inc., 2006. – 760 p.Sandler, S. I. Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics. John Wiley & Sons., Inc., 2006. 760 p.Demerel, Y. Nonequilibrium thermodynamics: Transport and rate processes in physical, chemical and biological systems / Y. Demerel. – 3rd ed. – Amsterdam, Oxford: Elsevier Science, 2014. – 792 p. https://doi.org/10.1016/C2012-0-00459-0Demerel Y. Nonequilibrium thermodynamics: Transport and rate processes in physical, chemical and biological systems. 3rd ed. Amsterdam, Oxford, Elsevier Science, 2014. 792 p. https://doi.org/10.1016/C2012-0-00459-0Mullin, J. W. Crystallization / J. W. Mullin – 4 th ed. – Oxford, Boston, Johannesburg, Melburne, New Delhi, Singapoure: Butterworth Heinemann, 2001. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-4833-2.X5000-1Mullin J. W. Crystallization. 4 th ed. Oxford, Boston, Johannesburg, Melburne, New Delhi, Singapoure, Butterworth Heinemann, 2001. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-4833-2.X5000-1Квантово-химическое моделирование строения эстрон содержащих бисфуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е. А. Дикусар [и др.] // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В. М. Самсонова, Н. Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2016. – Вып. 8. – С. 110–118.Dikusar E. A., Pushkarchuk A. L., Bezjazychnaja T. V., Soldatov A. G., Kuten S. A. Quantum chemical modeling of the molecular and electronic structures of the estron-containing bisfullerenol radionuclide cancer fghting agents. Fizikokhimicheskie aspekty izucheniya klasterov, nanostruktur i nanomaterialov: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Physico-chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials: interun. collection of scientifc papers]. Tver, Tver State University, 2016, iss. 8, pp. 110–118 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.