CC BY
5
УДК 577.114.7: 577.181.6
Ерохин Л.М, Красноштанова А. А.
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБНОСТИ ПОЛИСАХАРИДНЫХ МИКРОЧАСТИЦ К АДСОРБЦИИ ИОНОВ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СТАБИЛЬНОСТИ ПРИ ХРАНЕНИИ
Ерохин Леонид Михайлович, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии; e-mail: zestoren55@vandex. ru
Красноштанова Алла Альбертовна, д.х.н., профессор кафедры биотехнологии.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В данной статье приведено исследование сохранения способности полисахаридных микрочастиц, предназначенных для пероральной доставки лекарственных средств, к адсорбции ионов тяжёлых металлов. Установлено, что данная способность сохраняется после формирования микрочастиц, однако сорбционная ёмкость уменьшается в сравнении с исходными полисахаридами. Также изучена стабильность микрочастиц при хранении. Установлено, что основные процессы деструкции происходят в первые 14 суток хранения, а в дальнейшем микрочастицы остаются стабильными в течение 6 месяцев. Наибольшей устойчивостью при хранении характеризуются хитозан-пектиновые микрочастицы на основе цитрусового пектина.
Ключевые слова: полисахариды, микрочастицы, доставка лекарств, сорбционные свойства.
STUDY OF THE ABILITY OF POLYSACCHARIDE MICROPARTICLES TO ADSORPTION OF HEAVY METAL IONS AND THEIR STABILITY DURING STORAGE
Erokhin Leonid Mikhailovich, Krasnoshtanova Alla Albertovna. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation.
This article presents a study of the preservation of the ability of polysaccharide microparticles intended for oral drug delivery to adsorb heavy metal ions. It has been established that this ability is retained after the formation of microparticles. However, the sorption capacity decreases in comparison with the initial polysaccharides. The stability of microparticles during storage was also studied. It has been established that the main processes of destruction occur in the first 14 days of storage, and then the microparticles remain stable for 6 months. Chitosan-pectin microparticles based on citrus pectin are characterized by the highest storage stability.
Keywords: polysaccharides, microparticles, drug delivery, sorption properties.
Введение
Системы адресной доставки лекарств позволяют снизить вероятность возникновения побочных эффектов от применения того или иного вида лекарственных средств, уменьшить применяемую дозу препарата и защитить действующее вещество от условий среды организма человека. Использование данных систем также позволяет увеличить время высвобождения действующего вещества вблизи его мишени в отличие от «залпового» высвобождения, характерного для многих традиционных лекарственных форм [1]. Однако применение систем адресной доставки сопряжено с рядом проблем: неустойчивость их в организме человека, малая биосовместимость, токсичность продуктов распада, высокая стоимость, малая ёмкость по действующему веществу, неудовлетворительная кинетика высвобождения и прочее. Часть перечисленных проблем может быть решена при создании систем доставки на основе природных полисахаридов. Они обладают высокой биосовместимостью, просты в изготовлении.
Проницаемость гелей на основе таких полисахаридов, как пектин, альгинат и хитозан, зависит от величины рН среды. Это позволяет использовать полисахаридные микрочастицы для доставки лекарств в кишечник, обеспечивая их защиту от агрессивной среды желудка [2]. Альгинаты, соли альгиновой кислоты, являются
полимерами а-гулуроновой и Р-маннуроновой кислот. Хитозан - биополимер, включающий в качестве структурных звеньев остатки ацетилированного и немодифицированного глюкозамина. Пектин - гетерополимер, образованный преимущественно остатками галактуроновой кислоты.
К достоинствам систем доставки на основе полисахаридов относят многие свойства нативных полисахаридов и гелей на их основе. Например, отмечается, что препараты, содержащие пектин, способствуют активации кишечной перистальтики и улучшают всасывание биологически активных веществ за счёт специфического взаимодействия полимерных цепей пектина со слизистой кишечника человека [3; 4]. Аналогично и для хитозана установлено положительное влияние на метаболизм человека. Данный полимер улучшает усвоение липидов за счёт предотвращения их окисления в условиях внешней среды и желудка. Также хитозан способствует профилактике заболеваний, связанных с процессами окисления и воспаления, благодаря своим антиоксидантным и противовоспалительным свойствам [5; 6]. Антидиабетические, противовоспалительные и пребиотические свойства установлены и для препаратов, содержащих альгинаты [7].
Одним из основных полезных свойств природных полисахаридов и гелей на их основе
является способность к сорбции веществ из растворов. Особое внимание исследователи уделяют эффективному связыванию полисахаридами ионов тяжёлых металлов. Эта способность активно используется при создании средств лечения и профилактики заболеваний, связанных с отравлением ионами тяжёлых металлов. Сорбционная активность полисахаридов объясняется образованием слабых связей между функциональными группами полисахарида и связываемыми частицами [8]. Однако в литературных источниках практически не рассматривается вопрос сохранения сорбционных свойств полисахаридов при формировании микрочастиц. В то же время, в основе большинства методов получения полисахаридных микрочастиц лежит реакция гелеобразования между полисахаридом и поливалентными ионами (как правило, кальция) [9]. При этом теоретически возможна потеря сорбционных свойств из-за уменьшения сайтов возможного связывания при образовании микрочастиц. Поэтому в данной работе был изучен процесс сорбции ионов меди (II) микрочастицами: хитозан-альгинатными (ХА), хитозан-пектиновыми на основе яблочного пектина (ХПя) и хитозан-пектиновыми на основе цитрусового пектина (ХПц). Дополнительно была исследована стабильность данных микрочастиц при хранении в течение 6 месяцев при температуре 6 °С. Катионы меди была выбрана из-за простоты и высокой воспроизводимости анализа по количественному определению данных ионов.
Материалы и методы
В исследовании использовались хитозан с молекулярной массой 200 кДа и степенью деацетилирования более 80% производства Sigma-Aldrich, альгинат натрия низкой вязкости производства Sigma-Aldrich, яблочный пектин с молекулярной массой 12 кДа и степенью метоксилирования 67%, цитрусовый пектин с молекулярной массой 15 кДа и степенью метоксилирования 53%.
ХА микрочастицы получали методом ионотропного гелеобразования, добавляя к 47 мл раствора альгината натрия (0,063% масс., рН 4,3), 3 мл раствора хлорида кальция (18 мМ) с помощью перистальтического насоса со скоростью 0,125 мл/мин при постоянном перемешивании со скоростью 1000 об./мин. Затем добавляли 10 мл раствора хитозана (0,070% масс., рН 4,6) в 1% уксусной кислоте со скоростью 0,42 мл/мин. Полученную суспензию микрочастиц подвергали центрифугированию при 15000g в течение 25 минут. Осадок сушили на воздухе до постоянной массы. ХПя микрочастицы получали аналогично, используя раствор пектина (0,093% масс., рН 4,3) и 22 мМ раствор хлорида кальция, для ХПц микрочастиц - 33 мМ раствор хлорида кальция. Размер полученных микрочастиц в
водных растворах определяли с помощью метода динамического рассеяния света на оборудовании Photocor Compact Z.
Концентрация ионов меди в растворе определялась спектрофотометрически при образовании окрашенных комплексов с аммиаком при длине волны 570 нм [10]. Стабильность при хранении оценивали с помощью метода Дюбуа. Высушенные микрочастицы после 6 месяцев (183 суток) хранения при 6 °C суспендировали в дистиллированной воде при перемешивании в течение 1 часа. Микрочастицы отделяли центрифугированием, а в надосадочной жидкости проводили количественное определение сахаров. Для построения калибровочной кривой использовались стандартные растворы глюкозы.
Экспериментальная часть
Диаметры полученных по методу ионотропного гелеобразования микрочастиц составили: ХА микрочастиц - 600-700 нм, ХПя микрочастиц - 400500 нм, ХПц микрочастиц - 500-600 нм. При исследовании процесса адсорбции ионов меди микрочастицами из сухих микрочастиц создавали грубые суспензии гель-вода, чтобы обеспечить возможность быстрого прерывания процесса адсорбции. Полученные частицы геля инкубировались в стандартном растворе меди (256 мг/л Cu2+) при 37 °C и постоянном перемешивании (500 об./мин) от 1 до 15 минут. По окончании инкубации прерывали перемешивание и отбирали 2,5 мл раствора, не содержащего осадок. К нему приливали 3 мл 5% водного раствора аммиака и проводили спектрофотометрическое определение. Аналогично исследовали сорбционную способность смесей нативных полисахаридов в том же соотношении, что и при формировании микрочастиц.
Установлено, что сорбирующие свойства всех типов частиц ниже, чем у исходных полисахаридов. Однако связывание полисахаридов в микрочастицы не приводит к полной потере способности к сорбции. Увеличение содержания микрочастиц в растворе значительно уменьшает остаточную концентрацию ионов меди в рабочем растворе (рисунки 1-3).
Рис.1. Динамика адсорбции ионов меди на хитозан-альгинатных микрочастицах
микрочастиц концентрированной серной кислотой. Данные по степени деструкции микрочастиц к концу шестого месяца приведены на рисунке 5.
Рис.2. Динамика адсорбции ионов меди на хитозан-пектиновых микрочастицах (яблочный пектин)
ХПц микрочастицы. 16 мг/мл
——Х11ц микрочастицы. 8 мг/мл —ХПТОЗЗН+пектпн(ц), 8 мг/мл
BptMii
пиктьаш1н,мнн
Рис.3. Динамика адсорбции ионов меди на хитозан-пектиновых микрочастицах (цитрусовый пектин)
Сорбционная ёмкость определялась как отношение концентрации ионов меди, сорбируемых на частицах, к концентрации микрочастиц в суспензии (рисунок 4). Сорбционная ёмкость не изменялась при увеличении содержания микрочастиц в рабочем растворе.
Рис.4. Сорбционная ёмкость исходных полисахаридов и полученных микрочастиц
При изучении стабильности микрочастиц при хранении установлено, что основные процессы деструкции происходят в первые 14 суток хранения при 6 °С. При дальнейшем хранении количество обнаруживаемых свободных полисахаридов практически не изменяется. Степень деструкции (%) определялась как отношение концентрации сахаров в надосадочной жидкости к концентрации сахаров, определённой при гидролизе соответствующих
Рис.5. Деструкция микрочастиц при хранении в течение 6 месяцев
Заключение
В ходе работы установлено, что формирование микрочастиц из полисахаридов методом ионотропного гелеобразования приводит к уменьшению сорбционной ёмкости в сравнении с исходными полисахаридами на величину 40-50%. Однако способность к сорбции ионов тяжёлых металлов (на примере Cu2+) в некоторой степени сохраняется у полученных видов микрочастиц. При близких значениях сорбционной способности исходных смесей полисахаридов - около 30 мг Си2+/г - сорбционная ёмкость исследуемых микрочастиц несколько отличается. Для хитозан-альгинатных частиц она составляет 12 мг Си2+/г, для хитозан-пектиновых на основе яблочного пектина - 15 мг Си2+/г, для хитозан-пектиновых на основе цитрусового пектина - 14 мг Си2+/г. При исследовании стабильности полученных
микрочастиц при хранении в течении срока, типичного для многих фармацевтических субстанций, установлено, что основная деструкция полимерных матриц наблюдается в первые 14 суток хранения при 6 °С и не превышает 12% для ХА микрочастиц, 7% для ХПя микрочастиц и 5% для ХПц микрочастиц. Таким образом, предполагается, что при использовании исследуемых микрочастиц в качестве систем доставки лекарств они будут производить дополнительный сорбирующий эффект, улучшая общее состояние организма и предотвращая возникновение заболеваний, связанных с накоплением ионов тяжёлых металлов и иных сорбируемых соединений.
Список литературы
1. Соснов А. В. и др. Разработка систем доставки лекарственных средств с применением микро-и наночастиц // Качественная клиническая практика. -2008. - №. 2. - С. 4-12.
2. Borodina T. N. et al. Entrapment of herbal extracts into biodegradable microcapsules // Biochemistry (Moscow) Supplement Series B: Biomedical Chemistry. - 2008. - V. 2. - №. 2. - P. 176182.
3. Zheng Y. et al. Biomaterial-assisted anastomotic healing: Serosal adhesion of pectin films // Polymers. -2021. - V. 13. - №. 16. - P. 2811.
4. Cervantes-Paz B. et al. Effects of pectin on lipid digestion and possible implications for carotenoid bioavailability during pre-absorptive stages: A review // Food Research International. - 2017. - V. 99. - P. 917927.
5. Inanli A. G. et al. The impact of chitosan on seafood quality and human health: A review // Trends in Food Science & Technology. - 2020. - V. 97. - P. 404416.
6. Yuan X. et al. A review on the preparation of chitosan oligosaccharides and application to human health, animal husbandry and agricultural production //Carbohydrate polymers. - 2019. - V. 220. - P. 60-70.
7. Liu J. et al. Alginate oligosaccharides: production, biological activities, and potential applications //Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. - 2019. - V. 18. - №. 6. - P. 1859-1881.
8. Wang R. et al. Pectin-based adsorbents for heavy metal ions: A review //Trends in Food Science & Technology. - 2019. - Т. 91. - С. 319-329.
9. Sarmento B. et al. Insulin-loaded nanoparticles are prepared by alginate ionotropic pre-gelation followed by chitosan polyelectrolyte complexation // Journal of nanoscience and nanotechnology. - 2007. - V. 7. - №. 8. - P. 2833-2841.
10. Голыгина А. А., Севрюгина Д. А., Смирнова Н. Н. Спектрофотометрическое определение катионов меди (II) в электролитах меднения в присутствии комплексообразующих компонентов // Аспирант. - 2017. - №. 9. - С. 11-14.
