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"10.29235/1561-8331-2021-57-4-400-407vestich-683Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYКвантово-химическое моделирование кортизон-фуллереноловых агентов терапии онкологических заболеванийQuantum-chemical modeling of cortisone-fullerenol agents of cancer therapyДикусарЕ. А.DikusarE. A.

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

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

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

13, Surganov str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

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

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

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

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

13, Surganov str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

alexp51@bk.ruБезъязычнаяТ. В.BezyazychnayaT. V.

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

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

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

13, Surganov str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

kvant@ifoch.bas-net.byАкишинаЕ. А.AkishinaE. A.

Акишина Екатерина Александровна – аспирант, мл. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

Ekaterina A. Akishina – Postgraduate, Junior Researcher

13, Surganov str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

СолдатовА. Г.SoldatovA. G.

Солдатов Андрей Геннадьевич – зав. лаб.

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск, Республика Беларусь

Andrei G. Soldatov – Head of the Laboratory for Superconducting Material Physics

19, P. Brovka str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

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

Кутень Семен Адамович – канд. физ.-мат. наук., зав. лаб.

ул. Бобруйская, 11, 220030, Минск, Республика Беларусь

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

11, Bobruiskaya str., 220030, Minsk, Republic of Belarus

kut@inp.bsu.byСтёпинС. Г.StepinS. G.

Стёпин Святослав Генрихович – канд. хим. наук, доцент

пр-т Фрунзе, 27, 210023, Витебск, Республика Беларусь

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

17, Frunze Ave., 210023, Vitebsk, Republic of Belarus

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

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

пр. Независимости, 68, 220072, Минск, Республика Беларусь

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

68, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarus

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

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

пр. Независимости, 68, 220072, Минск, Республика Беларусь

Sergei Ya. Kilin – Academician, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Center of quantum optics and quantum informatics

68, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk, Republic of Belarus

kilin@ifanbel.bas-net.byПоткинВ. И.PotkinV. I.

Поткин Владимир Иванович – член-корреспондент, д-р хим. наук, профессор, зав. лаб.

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

Vladimir I. Potkin – Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Chemistry), Professor, Head of the Laboratory

13, Surganov Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

potkin@ifoch.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 БеларусиScientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут ядерных проблем Белорусского государственного университетаInstitute for Nuclear Problem of the Belarusian 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 Belarus202103122021574400407Copyright © Дикусар Е.А., Пушкарчук А.Л., Безъязычная Т.В., Акишина Е.А., Солдатов А.Г., Кутень С.А., Стёпин С.Г., Низовцев А.П., Килин С.Я., Поткин В.И., 20212021Дикусар Е.А., Пушкарчук А.Л., Безъязычная Т.В., Акишина Е.А., Солдатов А.Г., Кутень С.А., Стёпин С.Г., Низовцев А.П., Килин С.Я., Поткин В.И.Dikusar E.A., Pushkarchuk A.L., Bezyazychnaya T.V., Akishina E.A., Soldatov A.G., Kuten S.A., Stepin S.G., Nizovtsev A.P., Kilin S.Y., Potkin V.I.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/683

С целью терапевтического уничтожения онкологических новообразований обычно применяют химиотерапию или лучевую, 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. В настоящей работе проведены квантово-химическое моделирование электронной структуры и анализ термодинамической устойчивости новых кортизон-фуллереноловых агентов терапии 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 oncological neoplasms, chemotherapy or radiotherapy is usually applied, and in isotope medicine – short-lived radio nuclides 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 neutron capture) therapy is a technology developed for the selective effect on malignant tumors using drugs that are tropic to tumors and contain non-radioactive nuclides (10B, 113Cd, 157Gd at al.). Triadic therapy involves the sequential introduction into the body of a combination of two or more separately inactive and harmless components, which are tropic to tumor tissues and capable of selectively accumulating in them or chemically interacting with each other and destroying tumor neoplasms under the action of certain sensitizing external influences. The aim of this work is quantum-chemical simulation of the electronic structure and analysis of the thermodynamic stability of new cortisone-fullerenol agents for the treatment of tumor neoplasms. The need for preliminary studies of modeling such objects is due to the very high labor intensity, cost and complexity of their practical production.

DFT-моделирование электронной структурыкортизонфуллереноловые кластерыагенты терапии опухолевых новообразованийDFT-modeling of electronic structurecortisonefullerenol clustersagents for the treatment of tumor neoplasmsReferencesMayles, 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 Scientific 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 Scientific 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/10.1002/0471752053Квантово-химическое моделирование метотрексат-фуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е. А. Дикусар [и др.] // Вес. Нац. акад. нвук Беларусі. Сер. хiм. навук. – 2019. – Т. 55, № 2. – С. 163–170. https://doi.org/ 10.29235/1561-8331-2019-55-2-163-170Dikusar E. A., Pushkarchuk A. L., Bezyazychnaya T. V., Potkin V. I., Soldatov A. G., Kutsen S. A., Stepin S. G., Nizovtsev A. P., Kilin S. Ya. Quantum-chemical modeling of methotrexate fullerenol radionuclide agents for cancer therapy. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya khimichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Chemical series, 2019, vol. 55, no. 2, pp. 163–170 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8331-2019-55-2-163-170Противоопухолевая активность производных фуллерена и возможности их использования для адресной доставки лекарств / М. А. Орлова [и др.] // Онкогематология. – 2013. – № 2. – С. 83–92. https://doi.org/10.17650/1818-8346-2013-8-2-83-92Orlova M. A., Trofimova 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, vol. 8, no. 2, pp. 83–92 (in Russian). https://doi.org/10.17650/1818-8346-2013-8-2-83-92The ORCA quantum chemistry program package / F. Neese [et al.] // J. Chem. Phys. – 2020. – Vol. 152, N 22. – P. 224108(1)–224108(18). https://doi.org/10.1063/5.0004608Neese F., Wennmohs F., Becker U., Riplinger Ch. The ORCA quantum chemistry program package. The Journal of Chemical Physics, 2020, vol. 152, no. 22, pp. 224108(1)–224108(18). https://doi.org/10.1063/5.0004608Ghosh, 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/10.1201/9780429069598Ghosh S. K., Chattaraj P. K. Concepts and Methods in Modern Theoretical Chemistry. Atoms, Molecules and Clusters. CRC Press, 2013. 856 p. https://doi.org/10.1201/9780429069598Tomasi, J. Quantum Mechanical Continuum Solvation Models / J. Tomasi, B. Mennucci, R. Cammi // Chem. Rev. – 2005. – Vol. 105, N 8. – P. 2999–3094. https://doi.org/10.1021/cr9904009Tomasi J., Mennucci B., Cammi R. Quantum Mechanical Continuum Solvation Models. Chemical Reviews, 2005, vol. 105, no. 8, pp. 2999–3094. https://doi.org/10.1021/cr9904009A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu / S. Grimme [at al.] // J. Chem. Phys. – 2010. – Vol. 132, N 15. – P. 154104 (1)–154104 (19). https://doi.org/10.1063/1.3382344Grimme S., Antony J., Ehrlich S., Krieg H. A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu. Journal of Chemical Physics, 2010, vol. 132, no. 15, pp. 154104(1)–154104(19). https://doi.org/10.1063/1.3382344Diastereoselective Synthesis of Steroid–[60]Fullerene Hybrids and Theoretical Underpinning / D. Alonso [et al.] // J. Org. Chem. – 2020. – Vol. 85, N 4. – P. 2426–2437. https://doi.org/10.1021/acs.joc.9b03121Alonso D., Hernández-Castillo D., Almagro L., González-Alemán R., Molero D., Herranz M. Á., Medina-Páez E., Coro J., Martínez-Álvarez R., Suárez M., Martín N. Diastereoselective Synthesis of Steroid–[60]Fullerene Hybrids and Theoretical Underpinning. Journal of Organic Chemistry, 2020, vol.85, no. 4, pp.2426–2437. https://doi.org/10.1021/acs.joc.9b03121Физер, Л. Стероиды / Л. Физер, М. Физер. – М.: Мир, 1964. – С. 619–748.Fizer L., Fizer M. Steroids. Moscow, Mir Publ., 1964, pp. 619–748 (in Russian).Adelstein, S. J. Isotopes for Medicine and the Life Sciences / S. J. Adelstein, F. J. Manning. – Washington, DC: The National Academies Press., 1995. – 144 p. https://doi.org/10.17226/4818Adelstein S. J., Manning F. J. Isotopes for Medicine and the Life Sciences. Washington, DC, The National Academies Press., 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) / eds.: M. Barysz, Ya. Ishikawa – N.-Y.: Springer, 2010. – Ch. 2. – 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. Barysz M., Ishikawa Ya. (ed.). 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 [et al.] // Pure and Appl. Chem. – 2003. – Vol. 75, N 6. – P. 683–800. https://doi.org/10.1351/pac200375060683Laeter J. R. Böhlke J. K., Bièvre P., 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/pac200375060683Seydel, J. K. Drug-Membrane Interactions: Analysis, Drug Distribution, Modeling / J. K. Seydel, M. Wiese. – Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, 2002. – 362 p. https://doi.org/10.1002/3527600639Seydel J. K. Wiese M. Drug-Membrane Interactions: Analysis, Drug Distribution, Modeling. Weinheim, Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, 2002. 362 p. https://doi.org/10.1002/3527600639Free Diffusion of Steroid Hormones Across Biomembranes: A Simplex Search with Implicit Solvent Model Calculations / I. Oren [et al.] // Biophys. J. – 2004. – Vol. 87, N 2. – P. 768–779. https://doi.org/10.1529/biophysj.103.035527Oren I., Sarel J., Kessel A., Ben-Tal N. Free Diffusion of Steroid Hormones Across Biomembranes: A Simplex Search with Implicit Solvent Model Calculations. Biophysical Journal, 2004, vol. 87, no. 2, pp. 768–779. https://doi.org/10.1529/biophysj.103.035527Квантово-химическое моделирование эстронсодержащих бисфуллереноловых радионуклидных агентов терапии онкологических заболеваний / Е. А. Дикусар [и др.] // Наноструктуры в конденсированных средах: сб. науч. ст. / под ред. П. А. Витязь [и др.]. – Минск: ИТМО НАН Беларуси, 2016. – С. 67–80.Dikusar E. A., Potkin V. I., Pushkarchuk A. L., Bezyazychnaya T. V., Soldatov A. G., Kutsen S. A., Kilin S. Ya., Nizovtsev A. P. Quantum-chemical modeling of estrone-containing bisfullerenol radionuclide agents for the treatment of oncological diseases. Nanostruktury v kondensirovannykh sredakh: sbornik nauchnykh statei [Nanostructures in condensed matter. Collection of scientific articles]. Minsk: A. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of Belarus, 2016, pp. 67–70 (in Russian).Аномальная 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. M., Kondratenko P. S., Matveev L. V., Korotkin I. A., Dranikov I. L. Anomalous Radionuclide Diffusion in Highly Heterogeneous Geological Formations. Moscow, Nauka Publ., 2010. 342 p. (in Russian).The Structure of Biological Membrans / ed.: P. L. Yeagle. – The 3rd ed. – CRC Press Book: Tailor and Frances Gr., 2011. – 398 p. https://doi.org/10.1201/b11018Yeagle P. L. (ed.). The Structure of Biological Membrans. 3rd ed. CRC Press Book: Tailor and Frances Gr., 2011. 398 p. https://doi.org/10.1201/b11018Transport Across Single Biological Membranes / ed.: D. C. Tosteson. – Berlin; Heidelberg; N.-Y.: Springer-Verlag, 1979. – Vol. 2. – 444 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-46375-4Tosteson D. C. (ed.). Transport Across Single Biological Membranes. Vol. 2. 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 [et al.] // Journal of Biomedicine and Biotechnology. – 2010. – Vol. 2010. – Article ID 953537. 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. 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, N 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. Radiochem. 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, 2017. – 1040 p.Sandler S. I. Chemical, biochemical, and engineering thermodynamics. John Wiley & Sons, 2017. 1040 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: Butterworth Heinemann, 2001. – 356 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-4833-2.X5000-1Mullin J. W. Crystallization. 4 th ed. Oxford, Butterworth Heinemann, 2001. 356 p. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-4833-2.X5000-1

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