CC BY
15Calixarenes Каликсарены
Шкрогэтароцмклы
http://macroheterocycles.isuct.ru
Communication Сообщение
DOI: 10.6060/mhc190549k
Агрегация супрамолекулярной системы на основе М—метил—Б— глюкаминового каликс[4]резорцина и ЦТАБ в водной среде
Р. Р. Кашапов,а,11@ Ю. С. Разуваева,3,11 А. Ю. Зиганшина,3 Р. К. Мухитова,3 А. С. Сапунова,3 А. Д. Волошина,3 Л. Я. Захарова3,1
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН, 420088 Казань, Россия
ъКазанский национальный исследовательский технологический университет, 420015 Казань, Россия @Е-таИ: [email protected]
Выявлена агрегация супрамолекулярной системы на основе Ы-метил^-глюкаминового каликс[4]резорцина и цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ) в водной среде. Оценена инкапсулирующая способность данной системы по отношению к гидрофильному субстрату родамину Б. Определены антимикробные и гемолитические свойства индивидуальных и смешанной систем.
Ключевые слова: Каликсарен, ПАВ, Судан I, солюбилизация, агрегация, антимикробная активность, гемолиз.
Aggregation of Supramolecular System Based on N-Methyl-D-glucamine Calix[4]resorcinol and CTAB in Aqueous Medium
Ruslan R. Kashapov,ab@ Yuliya S. Razuvayeva,ab Albina Y. Ziganshina,a Rezeda K. Mukhitova,a Anastasiya S. Sapunova,a Alexandra D. Voloshina,a and Lucia Ya. Zakharovaab
aA.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, 420088 Kazan, Russian Federation
bKazan National Research Technological University, 420015 Kazan, Russian Federation @Corresponding author E-mail: [email protected]
An aggregation of the supramolecular system based on the N-methyl-D-glucamine calix[4]resorcinol and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) in an aqueous medium was detected. The encapsulating capacity of this system relative to the hydrophilic substrate rhodamine B was evaluated. The antimicrobial and hemolytic properties of the individual and mixed systems were determined.
Keywords: Calixarene, surfactant, Sudan I, solubilization, aggregation, antimicrobial activity, hemolysis.
В современной супрамолекулярной химии наиболее широко используемым подходом к формированию ансамблей с полезными свойствами является объединение нескольких компонент различной структуры путем их нековалентной самосборки. Реализуемые нековалентные взаимодействия позволили создать большое число систем, обладающих свойствами наноконтейнеров и нанореакторов,[1] молекулярных устройств121 и т.д. В этом ключе создание супрамолеку-лярных амфифилов (суперамфифилов) является одним
из активно развивающихся направлений. По аналогии с традиционными амфифильными соединениями суперамфифилы содержат в своем составе гидрофильный и гидрофобный фрагменты, предорганизованные за счет нековалентного взаимодействия.[3] Причем, в зависимости от соотношения числа гидрофобных и гидрофильных групп, также различают болаформные и геминальные суперамфифилы.[4]
Благодаря своей природе суперамфифилы, в свою очередь, способны к самоорганизации в агрегаты суще-
346
© ISUCT Publishing
Макрогетероциклы /Macroheterocycles 2019 12(4) 346-349
R. R. Kashapov et а1.
ственно более сложной морфологии, чем традиционные ПАВ. В связи с этим они в последнее время нашли множество применений в построении нанотрубок,[5] наночастиц,[6] наноматериалов,[7] гелей.[8] Большое число примеров использования суперамфифилов было продемонстрировано в области создания везикул с контролируемыми свойствами,[9] в частности везикул, стабильность которых контролируется р^ среды.[10] В качестве движущей силы при формировании данных агрегатов могут выступать водородная связь,[11] инклюзивный механизм,[12] координационная связь «металл-лиганд»,[13] электростатическое взаимодействие.[14] Таким образом, суперамфифилы обладают большим потенциалом для создания материалов с принципиально новыми свойствами, в первую очередь благодаря относительной простоте их создания. Кроме того, существенным преимуществом является контролируемая самоорганизация суперамфифилов для создания чувствительных нано-контейнеров и поверхностей, способных селективно связывать молекулы определенного типа.
Создание новых супрамолекулярных амфифилов предъявляет ряд требований к исходному синтетическому материалу. Среди основных критериев при подборе строительных блоков следует выделить следующие: биосовместимость, действие в низких дозах, низкая токсичность. В связи с этим синтез новых строительных блоков для формирования супрамоле-кулярных наноконтейнеров, удовлетворяющих этим требованиям, является актуальной задачей. Востребованность систем на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) для доставки лекарственных препаратов обусловлена тем, что значительная часть лекарств плохо растворима в воде, но легко солюбилизируется в неполярном ядре прямых мицелл. Недостатком мицел-лярных наноконтейнеров является их непостоянный состав и неконтролируемый процесс высвобождения связанных соединений. При разбавлении наноконтей-неры на основе ПАВ разрушаются, что приводит к преждевременному высвобождению субстрата. Агрегаты на основе супрамолекулярных амфифилов, напротив, более стабильны в биологических водных средах, поэтому в настоящее время создаются смешанные ансамбли на основе ПАВ и макроциклов, в частности каликс[4]аренов.[15] Поэтому в данной работе комплексом физико-химических и биологических методов были изучены супрамолекулярные амфифилы на основе классического катионного цетилтриметиламмония бромида (ЦТАБ) и каликс[4]резорцина с Ж-метил-О-глюкаминовым фрагментом на верхнем ободе и суль-фонатными группами на нижнем ободе (Рисунок 1).[16]
Структура Ж-метил-О-глюкаминового каликс[4] резорцина (ГКР) позволяет предложить наличие отрицательно заряженного нижнего обода из-за диссоциации сульфонатных групп. Следовательно, формирование смешанных агрегатов с катионным ПАВ возможно благодаря электростатическим или инклюзивным взаимодействиям. Для подобных катанионных смесей характерно образование везикулярных частиц, имеющих в своем составе гидрофильное ядро. Образование таких везикул возможно при более низких концентрациях, чем формирование мицеллярных структур.
но \ )
но^ X он
Рисунок 1. Химическая структура ГКР.
Другим преимуществом данного типа агрегатов является инкапсулирующая способность по отношению гидрофильным субстратам.
Стехиометрические комплексы каликс[4]резор-цина и ПАВ, сформированные за счет зарядовой компенсации отрицательно заряженных сульфонатных групп каликс[4]резорцина положительно заряженными головными группами ПАВ, нестабильны в водной среде и выпадают в осадок, поэтому были подобраны соотношения каликс[4]резорцин:ПАВ, являющиеся наиболее оптимальными для инкапсуляции лекарственных препаратов, путем определения максимальной эффективности инкапсуляции (ЭИ) по отношению к родамину Б. При изучении инкапсуляции родамина Б в смешанных системах, содержащих 0.05 мМ ГКР и различные концентрации ЦТАБ (Рисунок 2А), максимальная инкапсуляция гидрофильного субстрата наблюдается для супе-рамфифильной системы, содержащей эквимолярные количества компонентов. Стоит отметить, что, если значения ЭИ не изменяются при увеличении содержания ПАВ в растворе с ГКР, то размер совместных агрегатов при этом снижается. Вероятно, рост концентрации ПАВ в смеси с ГКР приводит к дополнительному образованию супрамолекулярных мицелл, формирование которых было продемонстрировано в других работах с использованием сульфонатных каликсаренов в присутствии избытка катионных амфифилов.[1718]
Для значений ЭИ и размеров частиц также была выявлена зависимость от концентрации супе-рамфифильной системы в целом. Первоначальное увеличение количества смешанной системы до 0.5 мМ приводит к увеличению капсулирующей способности с уменьшением гидродинамического диаметра частиц (Рисунок 2В). После концентрации 0.5 мМ значение ЭИ практически не изменяется при увеличении общей концентрации системы, в то время как размер агрегатов продолжает снижаться. Предположительной версией такого поведения является снижение числа бислоев в структуре везикул с ростом концентрации суперам-фифила ГКР-ЦТАБ, а также возможным образованием дополнительных мицеллярных структур на основе суперамфифилов.
На основании изучения инкапсулирующей способности агрегатов ГКР-ЦТАБ было выявлено,
Supramolecular System Based on Ж-Methyl-D-glucamine Calix[4]resorcinol and CTAB
Рисунок 2. A - Зависимость ЭИ родамина Б и размеров агрегатов в системе ГКР:ЦТАБ, содержащей 0.05 мМ ГКР, от концентрации ЦТАБ; B - зависимость ЭИ родамина Б и размеров агрегатов в системе ГКР:ЦТАБ = 1:1 от общей концентрации суперамфифильной системы.
что эквимолярная система 1 мМ ГКР - 1 мМ ЦТАБ является наиболее оптимальной, поскольку обладает наибольшим значением ЭИ и небольшими размерами агрегатов. Образование везикул при этом соотношении было также подтверждено данными ТЭМ (Рисунок 3А), которые хорошо соотносятся с результатами динамического светорассеяния (Рисунок 3В).
Известно, что катионные ПАВ проявляют высокую антимикробную активность в диапазоне концентраций, соответствующем области до критической концентрации мицеллообразования (ККМ).[19,20] Более того, их токсичность, обусловленная, в основном, катионным зарядом, может быть снижена с помощью везикулярных систем.[21] Поэтому далее было проведено сравнительное исследование биологической активности водных систем на основе ЦТАБ и ГКР. Бактериостатическую активность исследуемых соединений определяли методом двукратных серийных разведений в жидкой питательной среде по отношению к штаммам Pseudomonas aeruginosa 9027, Escherichia coli F-50, Staphylococcus aureus 209-P, Bacillus cereus 8035. Бактериальная нагрузка составляла 3.0*105 микробных тел/мл. Учет результатов проводили через каждые 24 ч в течение 5 суток. Посевы инкубировали при температуре 37 °С. Эксперимент повторяли три раза. Фунгистатическую активность водных растворов соединений по отношению
к грибам Trichophyton mentagrophytes var. gypseum 1773, Aspergillus niger BKMF-1119 и дрожжеподобным грибкам Candida albicans 885-653 определяли методом серийных разведений на жидкой среде Сабуро. Время экспозиции в термостате при 25 °С с соответствующим соединением составляло 14 суток. За минимальную ингибирующую концентрацию принимали минимальную концентрацию вещества, задерживающую рост соответствующего тест-микроорганизма. Регистрировали наличие роста бактерий или грибов либо отсутствие его за счет бак-териостатического или фунгистатического действия соединения. Бактерицидную и фунгицидную активности определяли по описанным ранее методиками.[22]
В то время как ГКР оказался менее токсичен по отношению к клеткам тест-микроорганизмов, его незначительная антимикробная активность проявлялась только на грамположительные бактерии. Однако присутствие эквимолярного количества ГКР в растворе ПАВ, приводящее, как уже было сказано, к формированию агрегатов иной структуры, к сожалению, не снижает токсичность системы в целом (Таблица 1). Те же самые закономерности реализуются при оценке гемолитической активности,[23] т.е. молекулы ПАВ вызывают полный гемолиз, каликса-рен сильно не разрушает эритроциты, а в эквимолярной смеси ГКР-ЦТАБ снова наступает гемолиз (Таблица 2). Таким образом, сформированные композиции на основе
Рисунок 3. А - Изображения ТЭМ агрегатов в водной системе 1 мМ ГКР - 1 мМ ЦТАБ; В - размеры частиц в водной системе 1 мМ ГКР - 1 мМ ЦТАБ.
348
Макрогетероциклы /Macroheterocycles 2019 12(4) 346-349
R. R. Kashapov et al.
Таблица 1. Антимикробная активность индивидуальных (ЦТАБ и ГКР) и смешанной (ЦТАБ-ГКР) систем.
S. aureus 209P B. cereus 8035 C. albicans 855-653
Соединения Минимальные ингибирующие концентрации, ^ieM Бактериостатическая и фунгистатическая активность
ГКР 1000.0 i 87.4 >1000 >1000
ЦТАБ 1.00 i 0.08 2.00 i 0.16 16.0 i 1.2
ГКР + ЦТАБ 1.60 i 0.13 2.00 i 0.19 13.1 i 1.1
Минимальные бактерицидная и фунгицидная концентрации, мкM Бактерицидная и фунгицидная активность
ГКР 1000 i 86 >1000 >1000
ЦТАБ 3.00 i 0.23 12.0 i 1.1 31 i 2.6
ГКР + ЦТАБ 63.0 i 4.9 63.0 i 5.1 25 i 1.9
катионного ПАВ и ГКР, содержащего сульфонатные группы, сохраняют присущую индивидуальному ПАВ токсичность и гемолитическую активность.
Таким образом, в данной работе было показано, что Ж-метил-О-глюкаминовый каликс[4]резорцин и ЦТАБ образуют супрамолекулярный амфифил, способный формировать везикулярные частицы в водной среде. Полученные везикулы инкапсулируют гидрофильный субстрат, эффективность инкапсуляции которого зависит не только от соотношения компонентов, но и от концентрации суперамфифила. В отличие от ПАВ, данный макроцикл менее токсичен по отношению к клеткам тест-микроорганизмов и эритроцитам, однако присутствие эквимолярного количества данного макроцикла в растворе ЦТАБ, приводящее к образованию везикул, сохраняет биологические свойства ПАВ. Следовательно, при выборе компонентов в создании суперамфифильной системы для биомедицинских приложений необходимо учитывать токсичные свойства исходных компонентов.
Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 17-73-20253).
Вклад авторов. РК написал статью. ЮР провела физико-химические эксперименты. АЗ и РМ синтезировали каликс[4]резорцин. АС и АВ провели биологические эксперименты. ЛЗ руководила исследованиями.
Список литературы References
1. Kim K.T., Meeuwissen S.A., Nolte R.J.M., van Hest J.C.M. Nanoscale 2010, 2, 844-858.
2. Wang Y.P., Ma N., Wang Z., Zhang X. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 2823-2826.
3. Wang Y.P., Xu H., Zhang X. Adv. Mater. 2009, 21, 2849-2864.
4. Zhang X., Wang Ch. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 94-101.
5. Tang Y., Zhou L., Li J., Luo Q., Huang X., Wu P., Wang Y., Xu J., Shen J., Liu J. Angew. Chem. 2010, 122, 4012-4016.
Таблица 2. Гемолитическая активность индивидуальных (ЦТАБ и ГКР) и смешанной (ЦТАБ-ГКР) систем.
Система Концентрация, üieM % гемолиза
5000 85.6 i 7.1
2000 34.4 i 2.8
ГКР 1000.0 i 85.0 16.9 i 1.3
500.0 i 39.5 8.8 i 0.7
250.0 i 22.5 4.8 i 0.4
5000 100
2000 100
ЦТАБ 1000.0 i 84.3 100
500 i 42 100
250 i 23 100
500.0 i 40.4 100
ГКР + ЦТАБ 250.0 i 21.6 100
125 i 11 100
6. Li X., Qi Z., Liang K., Bai X., Xu J., Liu J., Shen J. Catal. Lett. 2008, 124, 413-417.
7. Nandan B., Kuila B.K., Stamm M. Eur. Polym. J. 2011, 47, 584-599.
8. Maciollek A., Munteanu M., Ritter H. Macromol. Chem. Phys. 2010, 211, 245-249.
9. Zhang H., Sun L., Liu Zh., An W., Hao A., Xin F., Shen J. Colloids Surf., A 2010, 358, 115-121.
10. Sun T., Li Yu., Zhang H., Li J., Xin F., Kong L., Hao A. Colloids Surf, A 2011, 375, 87-96.
11. Hermans T.M., Broeren M.A.C., Gomopoulos N., Smeijers A.F., Mezari B., Van Leeuwen E.N.M., Vos M.R.J., Magusin P.C.M.M., Hilbers P.A.J., Van Genderen M.H.P., Sommerdijk N.A.J.M., Fytas G., Meijer E.W. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15631-15638.
12. Bojinova T., Coppel Y., Lauth-de Viguerie N., Milius A., RicoLattes I., Lattes A. Langmuir 2003, 19, 5233-5239.
13. Gohy J.F., Lohmeijer B.G.G., Varshney S.K., Schubert U.S. Macromolecules 2002, 35, 4560-4563.
14. Kabanov A.V., Bronich T.K., Kabanov V.A., Yu K., Eisenberg A. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 9941-9942.
15. Kashapov R.R., Bekmukhametova A.M., Zakharova L.Ya., Akhmetzyanova Z.V., Popova E.V., Solovieva S.E., Antipin I.S., Konovalov A.I. Macroheterocycles 2017, 10, 454-459.
16. Kashapov R.R., Razuvayeva Y.S., Ziganshina A.Y., Mukhi-tova R.K., Sapunova A.S., Voloshina A.D., Syakaev V.V., Latypov S.K., Nizameev I.R., Kadirov M.K., Zakharova L.Y. Molecules 2019, 24, 1939.
17. Costa C., Francisco V., Silva S.G., do Vale M.L.C., García-Río L., Marques E.F. Colloids Surf., A: Physicochem. Eng. Aspects 2015, 480, 71-78.
18. Basilio N., García-Río L. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9315-9319.
19. Kashapov R.R., Razuvayeva Y.S., Ziganshina A.Y., Mukhi-tova R.K., Sapunova A.S., Voloshina A.D., Zakharova L.Y. Colloids Surf., B 2019, 175, 351-357.
20. Maneedaeng A., Phoemboon S., Chanthasena P., Chu-dapongse N. Korean J. Chem. Eng. 2018, 35, 2313-2320.
21. Colomer A., Pinazo A., García M.T., Mitjans M., Vinardell M.P., Infante M.R., Martínez V., Pérez L. Langmuir 2012, 28, 5900-5912.
22. Semenov V.E., Mikhailov A.S., Voloshina A.D., Kulik N.V., Nikitashina A.D., Zobov V.V., Kharlamov S.V., Latypov S.K., Reznik V.S. Eur. J. Med. Chem. 2011, 46, 4715-4724.
23. Pashirova T.N., Zueva I.V., Petrov K.A., Lukashenko S.S., Nizameev I.R., Kulik N.V., Voloshina A.D., Almasy L., Kadirov M.K., Masson P., Souto E.B., Zakharova L.Y., Sinyashin O.G. Colloids Surf., B 2018, 171, 358-367.
Received 05.05.2019 Accepted 16.05.2019
