chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2025-20-5-441-453ARSHVHchemicallytech-2301Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙSymmetrical and asymmetric dimeric cationic amphiphiles based on lipopeptides of irregular structure as potential components of cationic liposomesСимметричные и асимметричные димерные катионные амфифилы на основе липопептидов нерегулярного строения в качестве потенциальных компонентов катионных липосомhttps://orcid.org/0009-0009-5974-4809ВолодинТ. А.VolodinT. A.

Володин Тимофей Алексеевич, магистрант, кафедра химии и технологии биологически активных соединений, медицинской и органической химии им. Н.А. Преображенского, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Timofey A. Volodin, Master Student, N.A. Preobrazhensky Department of Chemistry and Technology of Biologically Active Compounds, Medicinal and Organic Chemistry

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

c-221@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0006-2510-617XПоликашинаП. П.PolikashinaP. P.

Поликашина Полина Павловна, магистрант, кафедра химии и технологии биологически активных соединений, медицинской и органической химии им. Н.А. Преображенского, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Polina P. Polikashina, Master Student, N.A. Preobrazhensky Department of Chemistry and Technology of Biologically Active Compounds, Medicinal and Organic Chemistry

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

https://orcid.org/0000-0003-1702-9435БудановаУ. А.BudanovaU. A.

Буданова Ульяна Александровна, к.х.н., доцент, кафедра химии и технологии биологически активных соединений, медицинской и органической химии им. Н.А. Преображенского, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова,

119454,  Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 14622352500, ResearcherID E-1659-2014

Ulyana A. Budanova, Cand. Sci. (Chem.), Associate Professor, N.A. Preobrazhensky Department of Chemistry and Technology of Biologically Active Compounds, Medical and Organic Chemistry 

78,Vernadskogo pr., Moscow, 119454

c-221@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7027-378XСебякинЮ. Л.SebyakinY. L.

Себякин Юрий Львович, д.х.н., профессор, профессор кафедры химии и технологии биологически активных соединений, медицинской и органической химии им. Н.А. Преображенского, Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78)

Scopus Author ID 6701455145, ResearcherID T-2835-2019

Yurii L. Sebyakin, Dr. Sci. (Chem.), Professor, N.A. Preobrazhensky Department of Chemistry and Technology of Biologically Active Compounds, Medical and Organic Chemistry

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)РоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation202507112025205441453Copyright © Volodin T.A., Polikashina P.P., Budanova U.A., Sebyakin Y.L., 20252025Володин Т.А., Поликашина П.П., Буданова У.А., Себякин Ю.Л.Volodin T.A., Polikashina P.P., Budanova U.A., Sebyakin Y.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/2301Objectives

Objectives. Gene therapy techniques based on the introduction of therapeutic nucleic acids into body cells are currently being developed for the treatment of diseases with a genetic etiology. Among modern drug delivery systems, nonviral agents based on the use of a variety of lipids to produce liposomes and micelles occupy a special place. This work sets out to synthesize and study the properties of dimeric cationic amphiphiles of irregular structure with symmetric and asymmetric hydrophobic blocks in order to determine the influence of structure on physicochemical properties and evaluate the prospects of their application as transfection agents.

Methods

Methods. The formation of hydrophobic and hydrophilic blocks involves reactions of L-cystine derivatives and L-glutamic acid and diethanolamine diesters using the condensing agents: dicyclohexylcarbodiimide (DCC) + 4-(dimethylamino)pyridine (DMAP) or hexafluorophosphate benzotriazole tetramethyl uranium (HBTU) + diisopropylethylamine (DIPEA). In order to isolate the reaction products from the reaction mixture, column chromatography and/or preparative thin-layer chromatography on silica gel were used. The structure of the obtained compounds was confirmed by 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy and mass spectrometry. Synthesized lipopeptides in aqueous medium formed liposomal dispersions whose particle size was determined by photon correlation spectroscopy.

Results

Results. Schemes for the preparation of novel dimeric cationic amphiphiles based on L-cystine derivatives were devised. The hydrophobic blocks of the obtained compounds include diesters of diethanolamine and L-glutamic acid (C10, C14, and C16). Targeted lipopeptides were used to obtain liposomal dispersed systems mixed with natural lipids. The hydrodynamic size of the particles formed in all dispersions was determined to be within the range of 50 to 200 nm.

Conclusions

Conclusions. The physicochemical properties of aqueous dispersions based on the synthesized compounds were investigated. Dimeric amphiphiles mixed with phosphatidylcholine and cholesterol form liposomal particles. The impact of amphiphile structure on aggregate size was demonstrated. The number of L-ornithine residues (0, 1, 2) in the target products was found to be the most significant parameter affecting the particle size.

Цели

Цели. В настоящее время для лечения заболеваний, имеющих генетическое происхождение, разрабатываются методы генной терапии, основанные на доставке в клетки организма терапевтических нуклеиновых кислот. Среди современных систем доставки лекарственных средств особое место занимают невирусные средства, основанные на использовании разнообразных липидов для получения липосом и мицелл. Целью данной работы является синтез и изучение свойств димерных катионных амфифилов нерегулярного строения с симметричным и ассиметричным гидрофобным блоком для определения влияния структуры на физико-химические свойства, что позволит оценить перспективы их применения в качестве трансфекционных агентов.

Методы

Методы. Формирование гидрофобных и гидрофильных блоков предполагает проведение реакций производных L-цистина и диэфиров L-глутаминовой кислоты и диэтаноламина с помощью конденсирующих агентов: N,N-дициклогексилкарбодиимида (DCC) + 4-диметиламинопиридина (DMAP) или гексафторфосфат бензотриазолтетраметилурония (HBTU) + диизопропилэтиламина (DIPEA). Для выделения продуктов реакции из реакционной смеси применялась колоночная хроматография и/или препаративная тонкослойная хроматография на силикагеле. Структура полученных соединений подтверждена данными спектроскопии ядерного магнитного резонанса 1Н и масс-спектрометрии. Синтезированные липопептиды в водной среде образовывали липосомальные дисперсии, размер частиц которых определяли методом фотонно-корреляционной спектроскопии.

Результаты

Результаты. Разработаны схемы получения новых димерных катионных амфифилов на основе производных L-цистина. Гидрофобные блоки полученных соединений включают диэфиры диэтаноламина и L-глутаминовой кислоты (С10, С14 и С16). Целевые липопептиды были использованы для получения липосомальных дисперсных систем в смеси с природными липидами. Для всех дисперсий определен гидродинамический размер сформированных частиц, который находится в интервале от 50 до 200 нм.

Выводы

Выводы. Изучены физико-химические свойства водных дисперсий на основе синтезированных соединений. Димерные амфифилы в смеси с фосфатидилхолином и холестерином образуют липосомальные частицы. Показано влияние структуры амфифилов на размер получаемых агрегатов. Установлено, что наиболее значимым параметром, влияющим на размер частиц, является число остатков L-орнитина (0, 1, 2) в составе целевых продуктов. 

симметричные и асимметричные димерные катионные амфифилыпроизводные L-цистинакатионные липосомылипопептидыsymmetric and asymmetric dimeric cationic amphiphilesL-cystine derivativescationic liposomeslipopeptidesРабота выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования РТУ МИРЭА при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-15-2021-689 от 01.09.2021 г.This work was performed using the equipment of the Center for Collective Use at the RTU MIREA and supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (agreement No. 075-15-2021-689 dated September 01, 2021).ReferencesYadav M.R., Kumar M., Murumkar P.R. Further studies on cationic gemini amphiphiles as carriers for gene delivery-the effect of linkers in the structure and other factors affecting the transfection efficacy of these amphiphiles. ACS Omega. 2021;6(49): 33370–33388. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c03667Yadav M.R., Kumar M., Murumkar P.R. Further studies on cationic gemini amphiphiles as carriers for gene delivery-the effect of linkers in the structure and other factors affecting the transfection efficacy of these amphiphiles. ACS Omega. 2021;6(49): 33370–33388. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c03667Schambach A., Buchholz C.J., Torres-Ruiz R., Cichutek K., Morgan M., Trapani I., Büning H. A new age of precision gene therapy. The Lancet. 2024;403(10426):568–582. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(23)01952-9Schambach A., Buchholz C.J., Torres-Ruiz R., Cichutek K., Morgan M., Trapani I., Büning H. A new age of precision gene therapy. The Lancet. 2024;403(10426):568–582. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(23)01952-9Пашков Е.А., Коротышева М.О., Пак А.В., Файзулоев Е.Б., Сидоров А.В., Поддубиков А.В., Быстрицкая Е.П., Дронина Ю.Е., Солнцева В.К., Зайцева Т.А., Пашков Е.П., Быков А.С., Свитич О.А., Зверев В.В. Исследование противогриппозной активности комплексов миРНК против клеточных генов FLT4, Nup98 и Nup205 на модели in vitro. Тонкие химические технологии. 2022;17(2):140–151. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-2-140-151Pashkov E.A., Korotysheva M.O., Pak A.V., Faizuloev E.B., Sidorov A.V., Poddubikov A.V., Bystritskaya E.P., Dronina Yu.E., Solntseva V.K., Zaiceva T.A., Pashkov E.P., Bykov A.S., Svitich O.A., Zverev V.V. Investigation of the anti-influenza activity of siRNA complexes against the cellular genes FLT4, Nup98, and Nup205 in vitro. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2022;17(2):140–151. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-2-140-151Sharma D., Arora S., Singh J., Layek B. A review of the tortuous path of nonviral gene delivery and recent progress. Int. J. Biol. Macromol. 2021;183:2055–2073. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.05.192Sharma D., Arora S., Singh J., Layek B. A review of the tortuous path of nonviral gene delivery and recent progress. Int. J. Biol. Macromol. 2021;183:2055–2073. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.05.192John R., Monpara J., Swaminathan S., Kalhapure R. Chemistry and Art of Developing Lipid Nanoparticles for Biologics Delivery: Focus on Development and Scale-Up. Pharmaceutics. 2024;16(1):131. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics16010131John R., Monpara J., Swaminathan S., Kalhapure R. Chemistry and Art of Developing Lipid Nanoparticles for Biologics Delivery: Focus on Development and Scale-Up. Pharmaceutics. 2024;16(1):131. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics16010131Muñoz-Úbeda M., Misra S.K., Barrán-Berdón A.L., Datta S., Aicart-Ramos C., Castro-Hartmann P., Kondaiah P., Junquera E., Bhattacharya S., Aicart E. How does the spacer length of cationic gemini lipids influence the lipoplex formation with plasmid DNA? Physicochemical and biochemical characterizations and their relevance in gene therapy. Biomacromolecules. 2012;13(12):3926–3937. https://doi.org/10.1021/bm301066wMuñoz-Úbeda M, Misra S.K., Barrán-Berdón A.L., Datta S., Aicart-RamosC., Castro-HartmannP., Kondaiah P., JunqueraE., Bhattacharya S., AicartE. How does the spacer length of cationic gemini lipids influence the lipoplex formation with plasmid DNA? Physicochemical and biochemical characterizations and their relevance in gene therapy. Biomacromolecules. 2012;13(12):3926–3937. https://doi.org/10.1021/bm301066wYang H.W., Yi J.W., Bang E.K., Jeon E.M., Kim B.H. Cationic nucleolipids as efficient siRNA carriers. Org. Biomol. Chem. 2011;9(1):291–296. https://doi.org/10.1039/C0OB00580KYang H.W., Yi J.W., Bang E.K., Jeon E.M., Kim B.H. Cationic nucleolipids as efficient siRNA carriers. Org. Biomol. Chem. 2011;9(1):291–296. https://doi.org/10.1039/C0OB00580KChang D.C., Zhang Y.M., Zhang J., Liu Y.H., Yu X.Q. Cationic gemini lipids with cyclen headgroups: interaction with DNA and gene delivery abilities. RSC Adv. 2014;4(83): 44261–44268. https://doi.org/10.1039/C4RA05974CChang D.C., Zhang Y.M., Zhang J., Liu Y.H., Yu X.Q. Cationic gemini lipids with cyclen headgroups: interaction with DNA and gene delivery abilities. RSC Adv. 2014;4(83): 44261–44268. https://doi.org/10.1039/C4RA05974CKoloskova O.O., Nikonova A.A., Budanova U.A., Shilovskiy I.P., Kofiadi I.A., Ivanov A.V., Smirnova O.A., Zverev V.V., Sebaykin Y.L., Andreev S.M., Khaitov M.R. Synthesis and evaluation of novel lipopeptide as a vehicle for efficient gene delivery and gene silencing. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2016;102:159–167. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2016.03.014KoloskovaO.O., NikonovaA.A., BudanovaU.A., Shilovskiy I.P., Kofiadi I.A., Ivanov A.V., Smirnova O.A., Zverev V.V., Sebaykin Y.L., Andreev S.M., Khaitov M.R. Synthesis and evaluation of novel lipopeptide as a vehicle for efficient gene delivery and gene silencing. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2016;102:159–167. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2016.03.014Kedika B., Patri S.V. Synthesis and Gene Transfer Activities of Novel Serum Compatible Reducible Tocopherol-Based Cationic Lipids. Mol. Pharm. 2012;9(5):1146–1162. https://doi.org/10.1021/mp200435yKedika B., Patri S.V. Synthesis and Gene Transfer Activities of Novel Serum Compatible Reducible Tocopherol-Based Cationic Lipids. Mol. Pharm. 2012;9(5):1146–1162. https://doi.org/10.1021/mp200435yLi D., Zhang R., Liu G., Kang Y., Wu J. Redox-Responsive Self-Assembled Nanoparticles for Cancer Therapy. Adv. Healthc. Mater. 2020;9(20):2000605. https://doi.org/10.1002/adhm.202000605Li D., Zhang R., Liu G., Kang Y., Wu J. Redox-Responsive Self-Assembled Nanoparticles for Cancer Therapy. Adv. Healthc. Mater. 2020;9(20):2000605. https://doi.org/10.1002/adhm.202000605Короткин М.Д., Филатова С.М., Дениева З.Г., Буданова У.А., Себякин Ю.Л. Синтез производных аминокислот на основе диэтаноламина с симметричными и асимметричными радикалами в гидрофобном домене с потенциальной антимикробной активностью. Тонкие химические технологии. 2022;17(1):50–64. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-1-50-64Korotkin M.D., Filatova S.M., Denieva Z.G., Budanova U.A., Sebyakin Y.L. Synthesis of diethanolamine-based amino acid derivatives with symmetric and asymmetric radicals in their hydrophobic domain and potential antimicrobial activity. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2022;17(1): 50–64. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-1-50-64Дениева З.Г., Буданова У.А., Себякин Ю.Л. Синтез катионных и ионизируемых амфифилов на основе геминального аминодиола как потенциальных транспортных систем миРНК. Тонкие химические технологии. 2019;14(3):42–49. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-3-42-49Denieva Z.G., Budanova U.A., Sebyakin Y.L. Synthesis of Cationic and Ionizable Amphiphiles Based on Heminal Aminodiol as Potential siRNA Delivery Systems. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2019;14(3):42–49 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-3-42-49Бухарин Г.А., Буданова У.А., Дениева З.Г., Дубровин Е.В., Себякин Ю.Л. Катионные и ионизируемые амфифилы на основе дигексадецилового эфира L глутаминовой кислоты для липосомального транспорта РНК. Биологические мембраны. 2024;41(4):309–321. https://doi.org/10.31857/S0233475524040035Bukharin G.A., Budanova U.A., Denieva Z.G., et al. Cationic and ionizable amphiphiles based on di-hexadecyl ester of L-glutamic acid for liposomal transport of RNA. Biochem. Moscow Suppl. Ser. A. 2024;18(4):313–323. https://doi.org/10.1134/S1990747824700314 [Original Russian Text: Bukharin G.A., Budanova U.A., Denieva Z.G., Dubrovin E.V., Sebyakin Y.L. Cationic and ionizable amphiphiles based on di-hexadecyl ester of L-glutamic acid for liposomal transport of RNA. Biologicheskie membrany. 2024;41(4):309–321 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S0233475524040035 ]Maritim S., Boulas P., Lin Y. Comprehensive analysis of liposome formulation parameters and their influence on encapsulation, stability and drug release in glibenclamide liposomes. Int. J. Pharm. 2021;592:120051. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.120051Maritim S., Boulas P., Lin Y. Comprehensive analysis of liposome formulation parameters and their influence on encapsulation, stability and drug release in glibenclamide liposomes. Int. J. Pharm. 2021;592:120051. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2020.120051Liu Y., Castro Bravo K.M., Liu J. Targeted liposomal drug delivery: a nanoscience and biophysical perspective. Nanoscale Horiz. 2021;6(2):78–94. https://doi.org/10.1039/D0NH00605JLiu Y., Castro Bravo K.M., Liu J. Targeted liposomal drug delivery: a nanoscience and biophysical perspective. Nanoscale Horiz. 2021;6(2):78–94. https://doi.org/10.1039/D0NH00605J

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