CC BY
15
УДК 577.15.08.606.61
Савельева Е.Е., Ванюшенкова А.А., Белов А.А.
ДЕСТРУКЦИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В МОДЕЛЬНОЙ СРЕДЕ
Савельева Елизавета Евгеньевна, студент 4-го курса факультета биотехнологии и промышленной экологии; Ванюшенкова Анна Александровна, студент 2-го курса факультета биотехнологии и промышленной экологии; Белов Алексей Алексеевич, д.т.н., доцент кафедры биотехнологии, E-mail: ABelov2004@ yandex.ru Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследован процесс физической (рН 6,2 при 37°С) и биологической (под действием лизоцима (Лиз)) деструкции биополимеров в модельных условиях раны. Показано, что окисленные перйодатом целлюлозные материалы в большей степени подвержены биодеградации в сравнении с немодифицированной целлюлозой. Установлено, что иммобилизация хитозана (Хт) на диальдегидцеллюлозу (ДАЦ) приводит к стабилизации ДАЦ и увеличению времени разложения материала. Изучено влияние лизоцима на процесс деструкции целлюлозы, ДАЦ, ДАЦ-Хт.
Ключевые слова: целлюлоза, биологическая деструкция.
диальдегидцеллюлоза, хитозан, лизоцим, гидролитическая деструкция,
DESTRUCTION OF POLYSACCHARID CARRIERS IN MODEL MEDIUM
Savelyeva E.E., Vaniushenkova A.A., Belov A.A.*
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: abelov2004@ yandex.ru
The process of physical (pH 6.2 at 37°C) and biological (the action of lysozyme) destruction of biopolymers under the model conditions of the wound was studied. It was shown that cellulosic materials oxidized by periodate are more susceptible to biodegradation in comparison with unmodified cellulose. It has been proved that the immobilization of chitosan with dialdehyde cellulose leads to an increase in the time of decomposition of the material. The influence of lysozyme on the destruction of cellulose, dialdehyde cellulose, dialdehyde cellulose chitosan was studied.
Key words: cellulose, dialdehyde cellulose, chitosan, lysozyme, hydrolytic degradation, biological destruction.
Одними из важных направлений в области создания и исследования лекарственных средств является оптимизация терапевтического действия активного вещества и изучение взаимодействия лекарственного препарата и его составляющих с организмом.
В последнее время большое значение находит применение пролекарственных средств в терапии гнойно-некротических ран. Пролекарство - это такое фармакологически инертное соединение, которое в организме в результате различных химических и (или) биохимических воздействий превращается в лекарственное средство [1].
Одним из таких воздействий является биодеградация в условиях раны (под действием ферментов организма человека, температуры и pH). Биодеградация (биоразрушение) - это преобразование сложных веществ с помощью биологической активности. Это широкое понятие включает три более узких процесса: трансформацию, или незначительные изменения молекулы; фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения и минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (Н2О, СО2, Н2, NH3, CH4 и т.д.) [2].
Процесс деструкции биополимера обычно делят на две стадии. На первой происходит разрыв
макромолекулярных цепей без потери веса образца, на второй стадии низкомолекулярные фрагменты вымываются из полимера, соответственно вес образца начинает снижаться [3].
Деструкцию классифицируют в зависимости от места разрыва химических связей: в основных и боковых цепях полимера. Деструкция в основной цепи может протекать по закону случая (равновероятный разрыв химической связи в любом месте макромолекулы) и как деполимеризация (отщепление мономерных звеньев с концов полимерной цепи).
В зависимости от типа воздействия, вызывающего разложение полимера, различают химическую, биологическую и физическую деструкции. Химическая происходит при взаимодействии с химическими реагентами. Наиболее распространенный вид химического воздействия - гидролитическая деструкция. Биологическая деструкция вызывает разрушение полимерной цепи под воздействием микроорганизмов, ферментов и среды живого организма. Физическая протекает при воздействии физических и механических факторов, таких как температура (особенно повышенная), свет, радиация, влага, механические напряжения и др [4].
С точки зрения деструкции биополимеров особый интерес представляет деградация под
воздействием внешних факторов, существующих в среде живого организма [4].
На практике, как правило, происходит одновременное протекание нескольких видов деструкционных процессов [4].
Как показано в литературе [5] лизоцим и различные ферменты организма человека способны разрушать биополимеры, такие как хитозан или окисленные полисахариды, причем на степень деградации значительно влияют такие параметры, как свойства самого полимера (степень полимеризации, степень ацилирования, степень окисления и др.), так и свойства среды: рН, температура, ионная сила.
Для определения гидролитической и биологической деструкций навеску материала помещали в стеклянные пробирки, добавляли 1/15М фосфатный буферный раствор (рН 6,2) (гидромодуль 30-50) при определения гидролитической деструкции или раствор лизоцима (2 мг/мл в ФБ 6,2) для определения биодеструкции и помещали в водяной термостат при периодическом встряхивании при 37°С. Через заданное время определяли количество общих сахаров, вышедших в раствор по фенол-серному методу [7]. Для этого отбирали 0,5
Рис. 1. Калибровочные кривые для глюкозы,
глюкозамина, хитозана
Рис. 3. Спектры растворов (37 ° С, ФБ 6,2) целлюлозы, ДАЦ, ДАЦ-Хт. 1 час выдежки
мл образца, добавляли 0,5 мл раствора фенола и 2,5 мл концентрированной серной кислоты, после чего пробы выдерживали в темном месте и измеряли оптическую плотность при 448 нм. Затем было рассчитано время полураспада по формуле Ту2 = 0,69/К [6]. Полученные данные представлены в таблице 1, где К - константа гидролитической деструкции, Т1/2 - время полураспада.
Таблица 1._
Препарат К, ч-1 Т1/2 , ч
Целлюлоза 2,3 * 10-6 300000
ДАЦ 2,2 * 10-5 31000
ДАЦ-Хт 1,3 * 10-5 51000
Цел + Лиз 3,8 * 10-6 181500
ДАЦ + Лиз 1 * 10-5 69000
ДАЦ-Хт + Лиз 1,8 * 10-5 38000
Были сняты спектры исследуемых образцов (целлюлоза, ДАЦ, ДАЦ-Хт), для этого препарат навеской 200 мг заливали 5 мл ФБ 6,2 и помещали в термостат на заданное количество времени (1, 2, 24, 48 и 72 ч).
Рис. 2. Спектры растворов (37 ° С, ФБ 6,2) ДАЦ во времени
ДАЦ, ДАЦ-Хт. 72 часа выдержки
Из полученных данных (рис. 2-4) видно, что в ходе биологической и гидролитической деструкции изученных полисахаридов происходит значительная деполимеризация биополимеров (что проявляется в увеличении оптической плотности образцов при их выдерживании при 37°С, в ФБ рН 6,2).
Расчетные данные показывают, что константа гидролитической деструкции для ДАЦ в 1,5 раза выше, чем для ДАЦ-Хт и в 10 раз для немодифицированной целлюлозы. Соответственно время полураспада препарата на основе ДАЦ-Хт и целлюлозы больше, чем для окисленной матрицы в то же число раз. Таким образом, при окислении целлюлозного волокна его прочность уменьшается. При иммобилизации Хт происходит стабилизация ДАЦ, что можно объяснить его задержкой на матрице. При гидролитической деструкции Хт полностью не выходит с носителя, тем самым препятствуя разрушению материала. Низкие значения констант гидролитической деструкции для целлюлозы получены, предположительно, из-за вискозы, которая входит в состав целлюлозы в количестве до 30%. Незначительную погрешность согласно калибровке (рис. 1) вносит и то, что фенол-серный метод позволяет определить только молекулы глюкозы, вышедшие в раствор. К Хт, который содержится в количестве 30-40 мг на 1 г препарата ДАЦ-Хт и глюкозамину метод не чувствителен. Также в процессе гидролитической деструкции волокно может разрушаться до небольших фрагментов. Частицы, переходящие в раствор, могли оказаться в пробе, пошедшей на
анализ, тем самым превысив истинное значение оптических плотностей.
Список литературы
1. Головенко Н.Я., Кравченко И.А. Биохимическая фармакология пролекарств // Одесса, «Астропринт», 2007, с.360.
2. Штильман М.И. Биодеградация полимеров //Journal of Siberian Federal University. Biology 2015,2 (8), с. 113-130.
3. Бычук М.А. Получение и свойства полимерных пленок на основе поли-3-гидроксибутирата и поли-е-капролактона // Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., МГУДТ, 169 с.
4. Попов А.П.. Системный анализ, моделирование и управление периодическим процессом термоокислительной деструкции полимеров в растворе // Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., Воронеж, ВГУ, 242 с.
5. Vincenzo Guarino, Tania Caputo, Rosaria Altobelli, Luigi Ambrosio. Degradation properties and metabolic activity of alginate and chitosan polyelectrolyte's for drug delivery and tissue engineering applications //AIMS Materials Science, 2(4): Р.497-502.
6. Филатов В.Н., Рыльцев В.В.. Биологически активные текстильные материалы // Москва, Терапевтические системы «Дальцекс-трипсин», 2002, с. 90.
7. Dubois, M. Colorimetric method for determination of sugars and related substances // Anal. Chem. - 1956. - 28.- P.350-356.
