АДСОРБЦИЯ И ФОТОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОИЗВОДНОГО ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 547.83+535.31

Федоров А.К., Соколов В.С., Новиков В.Т.

АДСОРБЦИЯ И ФОТОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОИЗВОДНОГО ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНА

Федоров Арсений Кириллович, студент 3 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: arsniv@va.ru;

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20;

Соколов Валерий Сергеевич, д.ф.-м.н., профессор, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, Москва, Россия;

Новиков Василий Тимофеевич, к.х.н., профессор, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

Исследования молекул производных тетрафенилпорфирина имеют большое значение в области терапии раковых заболеваний. В настоящей работе исследованы свойства молекулы методом измерения разности граничных потенциалов бислойной липидной мембраны.

Ключевые слова: бислойная липидная мембрана, фотосенсибилизатор, граничный потенциал, синглетный кислород, адсорбция.

ADSORPTION AND PHOTODINAMIC PROPERTIES OF TETRAPHENYLPORPHYRIN DERIVATIVE

Fedorov A.K., Sokolov V.S.*, Novikov V.T.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

*Institute of Physical chemistry and Electrochemistry Russian academy of sciences, Moscow, Russia

Studies of molecules of tetraphenylporphyrin derivatives are of great importance in the field of cancer therapy. In this paper we investigate the properties of a molecule by measuring the difference in the boundary potentials of a bilayer lipid membrane.

Keywords: bilayer lipid membrane, photosensitizer, boundary potential, singlet oxygen, adsorption.

В основе метода фотодинамической терапии рака лежит окисление жизненно важных структур раковой клетки активными формами кислорода (АФК), что приводит к её гибели. Активные формы кислорода генерируются при возбуждении связанных с клеткой фотосенсибилизаторов (ФС) [1]. Усовершенствование метода фотодинамической терапии включает в себя синтез и испытание новых ФС. Для этого используются различные экспериментальные подходы, от спектральных измерений в растворах до исследований воздействия ФС на живые клетки. Такие исследования можно проводить на системах, моделирующих клеточную мембрану. Удобной моделью клеточной мембраны является бислойная липидная мембрана (БЛМ). Эксперименты на БЛМ позволяют изучать связывание ФС с мембраной. На БЛМ, сформированной из липидов, не имеющих двойных связей, можно оценивать эффективность ФС, измеряя скорость разрушения встроенных в мембрану молекул - мишеней АФК.

В работе был исследован фотосенсибилизатор 1п комплекс Р-инидазол замещенного

тетрафенилпорфирина, синтезированный в институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова. Его структура приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная формула фотосенсибилизатора 1п комплекса р-инидазол замещенного тетрафенилпорфирина

Исследования проводили с помощью разработанного в лаборатории биоэлектрохимии института физической химии и электрохимии метода измерения разности граничных потенциалов БЛМ путем компенсации внутреннего поля (КВП), регистрируемого по второй гармонике емкостного тока [2]. Метод КВП основан на эффекте электрострикции мембран, в результате которого ее емкость квадратично зависит от внутри мембранного потенциала. При сорбции заряженных молекул с одной из сторон мембраны может возникнуть внутри мембранный потенциал. Метод компенсации внутри мембранного поля основан на

измерении потенциала, требуемого для компенсации внутри мембранного потенциала - поиск условий минимума электрической емкости мембраны [3, 4]. Мембрана формировалась на круглом отверстии диаметром 0.8 мм в перегородке тефлоновой ячейки. Для освещения ячейки использовался полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и оптической мощностью 5 мВт. При добавлении порфирина в раствор с одной стороны БЛМ происходило изменение граничного потенциала, вызванное адсорбцией на мембране анионов молекул порфирина. Зависимость изменения граничного потенциала от концентрации порфирина в воде представлена на рис. 2.

Рис 2. Зависимость разности граничных потенциалов от концентрации порфирина.

Фотодинамическая активность порфиринов определялась по скорости разрушения на поверхности мембраны молекул - мишеней синглетного кислорода, которыми служили стириловые красители

аминонафтилэтенилпиридинсульфонаты (АКЕРРБ). Ранее было показано, что молекулы АКЕРРБ имеют дипольный момент, и способны адсорбироваться на

поверхности БЛМ, создавать на ней дипольный скачок потенциала. На БЛМ адсорбировали ANEPPS и порфирины, после чего мембрану освещали, что приводило к падению потенциала, вызванного адсорбцией ANEPPS. Скорость разрушения ANEPPS определяли по наклону относительного изменения потенциала в момент начала освещения [5]. Модель разрушения ANEPPS представлена следующим образом: молекула ФС адсорбируется на цис-стороне БЛМ. При поглощении света она переходит в возбужденное состояние и генерирует синглетный кислород. Далее синглетный кислород начинает взаимодействовать с молекулой мишени, адсорбированной либо на цис- либо на трансстороне. В результате реакции образуются окисленные формы молекулы-мишени, которые десорбируются с поверхности мембраны [6]. Синглетный кислород реагирует с молекулой ANEPPS по механизму реакции Дильса-Альдера, окисляя двойные связи ненасыщенного углеводородного радикала и ароматические связи радикала нафтила, образуя при этом пероксосоединения [7]. В результате окисления происходит уменьшение регистрируемого в эксперименте дипольного потенциала, что может быть вызвано либо уменьшением дипольного момента молекулы, либо ее десорбцией [2].

Эксперименты проводили при добавлении ANEPPS в раствор либо с той же цис-стороны БЛМ, где был адсорбирован порфирин, либо с противоположной транс-стороны. Ранее, при использовании в качестве фотосенсибилизатора, сульфированного фталоцианина, был обнаружен странный эффект, когда скорость разрушения ANEPPS с цис-стороны оказалась меньше, чем с транс стороны (рис. 3а). В данном исследовании было показано, что с производным тетрафенилпорфирина этот эффект отсутствует, и скорость разрушения ANNEPS с цис стороны оказалась выше, чем с транс стороны, хотя разница была и невелика (рис. 3б).

Рис. 3. Зависимости разности граничных потенциалов от времени для фталоцианина а) и для

производного тетрафенилпорфирина б).

Для объяснения эффекта разрушения фталоцианина было предположено, что это вызвано эффектом тушения синглетного кислорода молекулами ANEPPS, который основан на переходе кислорода из возбужденного синглетного в основное триплетное состояние путем переноса энергии электронного возбуждения на молекулу тушителя [8]. Тушение было более эффективным, когда эти молекулы располагались с цис стороны по сравнению со случаем, когда они были с транс стороны. Возможно, в случае использования фталоцианина данный эффект был вызван либо прямым взаимодействием молекул ANEPPS и фотосенсибилизатора в случае их нахождения на одной поверхности БЛМ, из-за чего уменьшался квантовый выход синглетного кислорода, либо их взаимное положение в мембране приводило к эффективному тушению синглетного кислорода, и тогда отсутствие этого эффекта в случае порфирина вызвано тем, что его молекулы располагаются в мембране в другом положении по сравнению с фталоцианинами.

Список литературы

1. A.E.O'Connor, W.M.Gallagher, and A.T.Byrne. Porphyrin and nonporphyrin photosensitizers in oncology: preclinical and clinical advances in

photodynamic therapy //Photochem. Photobiol. - 2009. Vol. 85. № 5. P. 1053-1074

2. Mirsky V.M. Ultrathin Electrochemical Chemo-and Biosensors. Springer, Berlin, Heidelberg - 2004. P. 267-269

3. Ю.А. Ермаков. Биоэлектрохимия бислойных липидных мембран. //Рос. хим. ж. - 2005. Т. 49. № 5. С. 114-116

4. Чекашина К.В. Исследование упругих свойств многокомпонентной липидной мембраны при экстремальных изгибных деформациях: дис. канд. физ. -мат. наук. - М, 2018 - С. 49-50

5. V.S. Sokolov, A.N. Gavrilchik, A.O. Kulagina and others. Voltage-sensitive styryl dyes as singlet oxygen targets on the surface of bilayer lipid membrane //Photochem. Photobiol. - 2016. Vol. 161. № 18. P. 162169

6. V.S. Sokolov, P. Pohl. Membrane transport of singlet oxygen monitored by dipole potential measurements //Biophys. J. - 2009. P. 77-85.

7. A. Ghogare, A. Greer. Using Singlet Oxygen to Synthesize Natural Products and Drugs //Chem. Rev. -2015. Vol. 116 P. 9995-9996

8. В.Я. Шляпинтох, В.Б. Иванов. Тушение синглетного кислорода //Успехи химии - 1976. Т. 45 № 2. С. 213-214