CC BY
49
УДК 547-304 + 579.64
А. В. Лобанов, С. М. Васильев, А. Б. Кононенко, Д. А. Банникова,
С. В. Бритова, Е. П. Савинова, В. Н. Горшенев, Г. Е. Заиков, С. Д. Варфоломеев
КОМПЛЕКСЫ ФТАЛОЦИАНИНОВ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА С ПОЛИМЕРАМИ.
АГРЕГАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И БИОЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ
Ключевые слова: фталоцианины, агрегация, биоцидная активность.
Рассмотрено агрегационное поведение фталоцианинов железа и марганца в составе комплексов с поли-N-винилпирролидоном и полиэтиленгликолем. Определена биоцидная активность полимер-фталоцианиновых комплексов в отношении 9 культур микроорганизмов.
Keywords: phthalocyanines, aggregation, biocidal activity.
The aggregation behavior of iron and manganese phthalocyanine with poly-N-vinylpyrrolidone and polyethyleneglycol was considered. Biocidal activity of polymer-phthalocyanine complexes in relation to 9 cultures of microorganisms was determined.
Введение
Получение наноразмерных модификаций биологически активных соединений является активно развивающейся отраслью нанотехнологий и направлено на синтез частиц различных размеров, формы и химического состава с улучшенными или новыми свойствами по сравнению с мономолекулярными аналогами [1].
Комплексы железа и марганца с фталоциани-нами (Фц), являются гомогенными катализаторами автоокисления ряда биогенных восстановителей и их аналогов, например аскорбиновой кислоты, убихино-на и цистеина. В этом процессе происходит промежуточное образование активных форм кислорода - супероксид анион-радикала, пероксидного и гидро-ксильного радикалов, пероксида водорода [2-7], цито-статическая и другая биологическая активность которых хорошо известна [8, 9]. Эти радикальные и ион-радикальные частицы вызывают окислительные деструктивные реакции, в том числе расщепление нуклеиновых кислот. Немаловажной особенностью биологически активных металлокомплексов фталоциани-нов является их способность селективно накапливаться в активно пролиферирующих клетках при различных патологиях [10, 11].
К настоящему времени хорошо изучена каталитическая активность фталоцианиновых комплексов железа и марганца, находящихся в мономолекулярной форме, в образовании активных форм кислорода. Ввиду нерастворимости фталоцианинов в воде для создания биологически активных препаратов на водной основе широко используют различные солюбили-заторы, в том числе биосовместимые водорастворимые полимеры. В составе комплексов с полимерами фталоцианины могут формировать агрегаты различных типов [12], что может существенно сказываться на их каталитических свойствах и, как следствие, на биоцидной активности. В настоящей работе рассмотрено агрегационное поведение фталоцианинов железа (БеФц) и марганца (МпФц) в составе комплексов с водорастворимыми полимерами поли-N-
винилпирролидоном (ПВП) и полиэтиленгликолем (ПЭГ). Определена биоцидная активность полимер-фталоцианиновых комплексов.
Экспериментальная часть В работе использовали БеФц и МпФц (Acros Organics, США), ПВП и ПЭГ (Sigma, США) с молекулярным весом 26500 и 1000 г/моль соответственно. Чистоту и
индивидуальность металлокомплексов фталоцианинов подтверждали методом MALDI-масс-спектрометрии на приборе Thermo DSQ II (США). Базовый раствор металлокомплекса фталоцианина готовили путем растворения сухой навески вещества в концентрированной серной кислоте. Далее 1% (об.) раствора вносили в диметилформамид до концентрации фталоцианина 6-10-3 моль/л. Концентрацию контролировали по электронным спектрам поглощения. Растворы хранили в темноте при +4 0С. Отдельно готовили 2%-ные (масс.) растворы ПВП и ПЭГ в биди-стиллированной воде. Растворы полимеров и Фц смешивали в отношении 100:1 до концентрации Фц 6-10-5 моль/л. Для регистрации электронных спектров использовали прибор HACH DR-4000V (США). В кварцевую кювету шириной 1 см помещали 2 мл раствора полимера и металлокомплекса Фц. Для сравнительных экспериментов БеФц и МпФц адсорбировали на наночастицах кремнезема диаметром 60 нм по методике, описанной в [13].
Биоцидную активность определяли методом диффузии в агар, содержащий тест-культуру, по определению диаметра зон задержки роста бактерий. В опытах с различным разведением препарата использовали тест-культуры Staphylococcus aureus Р209 (золотистый стафилококк) и Escherichia coli 1257 (кишечная палочка). Тест-культуры микроорганизмов выращивали на мясо-пептонном агаре при 37 0С в течение 24 ч, затем производили смыв физиологическим раствором и по бактериальному стандарту мутности устанавливали начальную концентрацию взвеси 109 м.к./мл. Готовили серийные разведения культур в стерильном физиологическом растворе, при этом конечная концентрация бактерий составляла 107 м.к./мл. Расплавленный и остуженный до 45 0С мясо-пептонный агар объемом 10 мл смешивали с 1 мл взвеси каждой культуры и помещали в чашки Петри. Затем в агаре специальным стерильным трафаретом делали лунки диаметром 3 мм и вносили растворы комплексов БеФц и МпФц с полимерами в различной степени разведения. Посевы инкубировали в течение 24 ч при температуре 37 0С и производили учет зон задержки роста тест-культур.
Обсуждение результатов Комплексы БеФц и МпФц не растворяются в воде. Использование полимеров ПВП и ПЭГ в качестве 1%-ой добавки позволяет солюбилизировать металлоком-
плексы фталоцианинов с образованием прозрачных водных растворов. Известно, что полоса поглощения мономолекулярных фталоцианинов лежит в области 670-690 нм [14]. По данным электронной спектроскопии в составе комплексов полимеров БеФц имеет полосы поглощения вблизи 655 и 850 нм (рис 1, 2). Вид спектра практически не зависит от концентрации БеФц и типа полимера. Структура спектра позволяет считать, что БеФц представлен преимущественно молекулярными агрегатами, размер которых может составлять до нескольких нанометров. Нельзя исключать и изменение исходной степени окисления иона железа(11) в таких структурах [15].
Вид электронных спектров МпФц в полимерных комплексах мало меняется в зависимости от природы полимера (рис. 3, 4). В спектрах наблюдается поглощение с максимумом 620 нм. Наличие данного поглощения указывает на нахождение МпФц в форме Н-агрегата стопочного строения, в которых, вполне вероятно, могут содержаться и димеры типа (МпшФц)2О [16]. Поглощение малой интенсивности, проявляющееся в виде плеча при 690 нм, соответствует небольшой доле мономолекулярной формы МпФц. Таким образом, оба металлокомплекса при взаимодействии с полимерами ПВП и ПЭГ самоорганизуются в наноразмерные агрегаты.
Для оценки биоцидной активности полимерных комплексов было испытано их действие в отношении ряда болезнетворных микроорганизмов (табл. 1, 2). Растворы полимеров и Фц с концентрацией 6-105 моль/л обладают бактерицидным действием, сохраняющимся при разведении растворов в 16 раз. Величина биоцидного действия, оцененная по диаметру зоны задержки роста микроорганизмов, в 2-3 раза превышала активность мономолекулярной формы БеФц и МпФц, которая сохраняется при адсорбции фталоцианинов на наночастицы кремнезема.
Специфики влияния типа полимера в эксперименте отмечено не было как по агрегационному поведению БеФц и МпФц, так и по оценке их действия в отношении микроорганизмов. Биоцидная активность полимерных комплексов БеФц схожа или несколько выше соответствующей величины для МпФц. Таким образом, вероятные структурные отличия наноагрегатов БеФц и МпФц в составе полимерных комплексов практически не сказываются на их биоцидных свойствах, что позволяет говорить об универсальном механизме генерации активных форм кислорода и их действии на микроорганизмы для рассмотренных систем.
D
31X1 _ЧХ) 700 500 1100
А, НЫ
Рис. 1 - Спектры поглощения РеФц в комплексе с ПВП в воде, соответствующие концентрации РеФц 0.5-10"6, 1.0-10"6, 1.5-10"6, 2.0-10"6, 2.5-10"6 моль/л
L>
Рис. 2 - Спектры поглощения РеФц в комплексе с ПЭГ в воде, соответствующие концентрации РеФц 0.5-10"6, 1.0-10"6, 1.5-10"6, 2.0-10"6, 2.5-10"6 моль/л
D
Рис. 3 - Спектры поглощения МпФц в комплексе с ПВП в воде, соответствующие концентрации МпФц 0.5-10"6, 1.0-10"6, 1.5-10"6, 2.0-10"6, 2.5-10"6 моль/л
Рис. 4 - Спектры поглощения МпФц в комплексе с ПЭГ в воде, соответствующие концентрации МпФц 0.5-10"6, 1.0-10"6, 1.5-10"6, 2.0-10"6, 2.5-10"6 моль/л
Таблица 1 - Биоцидная активность комплексов РеФц и МпФц с ПВП и ПЭГ в отношении Esherichia coli 1257 и Staphylococcus aureus Р209 по оценке диаметра зоны задержки роста тест-культуры (мм)
Комплекс Разведение
- 1:2 1:4 1:8 1:16
Esherichia coli 1257
ПВП-РеФц 24 22 18 14 10
ПЭГ-БеФц 38 32 20 15 10
ПВП-МпФц 28 25 20 15 10
ПЭГ-МпФц 29 20 14 9 9
Staphylococcus aureus Р209
ПВП-РеФц 22 18 16 14 9
PEG-РеФц 42 36 24 20 13
ПВП-МпФц 32 24 18 15 10
PEG-МпФц 26 20 17 14 8
Таблица 2 - Спектр действия растворов комплексов FeФц и MnФц с ПВП и ПЭГ в разведении 1:4 по оценке диаметра зоны задержки роста тест-культуры (мм)
Микроорганизм Зона задержки
ПВП-БеФц ПЭГ-БеФц
Proteus mirabilis 15 17
Proteus vulgaris 20 20
Citrobacter freundii 19 20
Salmonella infantis 16 20
Salmonella
typhimurium 14 16
Salmonella london 15 16
Salmonella enteritidis 14 13
ПВП-МпФц ПЭГ-МпФц
Proteus mirabilis 12 10
Proteus vulgaris 15 14
Citrobacter freundii 15 12
Salmonella infantis 14 11
Salmonella
typhimurium 12 10
Salmonella london 11 13
Salmonella enteritidis 12 11
Анализ данных о биоцидной активности растворов комплексов БеФц и МпФц с полимерами показал, что они оказывают бактериостатический и бактерицидный эффект в отношении представителей ЕШегоЬа^епасеа, в том числе и на сальмонеллы, играющие значительную роль в развитии токсико-пищевых инфекций человека. Полимерные комплексы БеФц и МпФц активны в отношении культуры золотистого стафилококка. Это показывает целесообразность создания на основе полимеров и комплексов железа и марганца средств контроля контаминации объектов окружающей среды в отношении условно-патогенных и патогенных микроорганизмов.
Результаты работы показывают, что агрегаты фталоцианиновых комплексов железа и марганца, благодаря более выраженным по сравнению с мономолекулярной формой биоцидным свойствам, являются перспективными соединениями для создания средств биологической защиты, санитарной обработки, препаратов медицинского назначения.
Работа выполнена при финансировании РФФИ (проект № 15-03-03591).
Литература
1. P. Mohanpuria, N.K. Ram, S.K. Yadav, J. Nanopart. Res, 10, 507517 (2008).
2. I. Batinic-Haberle, Z. Rajic, A. Tovmasyan, J.S. Reboucas, X. Ye, K.W. Leong, М^. Dewhirst, Z. Vujaskovic, L. Benov, I. Spasojevic, Free Radical Biology and Medicine, 51, 5, 1035-1053 (2011).
3. R.F. Pasternack, B. Halliwell, J. Am. Chem. Soc, 101, 1026-1031 (1979).
4. Y. Ilan, J. Rabani, I. Fridovich, R.F. Pasternack, Inorg. Nucl. Chem. Lett., 17, 93-96 (1981).
5. D. Weinraub, P. Peretz, М. Faraggi, J. Phys. Chem, 86, 1839-1842 (1982).
6. D. Solomon P. Peretz, М. Faraggi, J. Phys. Chem, 86, 1842-1849 (1982).
7. D. Weinraub, P. Levy, М. Faraggi, Int. J. Radiat. Biol, 50, 649-658 (1986).
8. S.D. Aust, L.A. Morehouse, C.E. Thomas, J. of Free Radicals in Biology & Medicine, 1, 3-25 (1985).
9. А.Б. Рубин, Биофизика. Книжный дом «Университет», Москва, 2000. 467 с.
10. R. van Hillegersberg, W.J. Kort, J.H.P. Wilson, Drugs, 48, 4, 510527 (1994).
11. I. Amato, Science, 262, 32-33. (1993).
12. Лобанов А.В., Дмитриева Г.С., Сультимова Н.Б., Левин П.П., Хим. физика, 33, 5, 15-20 (2014).
13. Ударцева О.О., Лобанов А.В., Андреева Е.Р., Дмитриева Г.С., Мельников М.Я., Буравкова Л.Б., Биофизика, 59, 6, 1051-1060 (2014).
14. Майзлиш В.Е., Шапошников Г.П., Снегирева Ф.П., Колесникова Е.Е., Смирнов Р.П., Изв. вузов. Химия и хим. технология, 33, 1, 7074 (1990).
15. Grodkowski J., Dhanasekaran T., Neta P., Hambright P., Bnmschwig B.S., Shinozaki K., Fujita E., J. Phys. Chem. A, 104, 1133211339 (2000).
16. Dolotova O., Yuzhakova O., Solovyova L., Shevchenko E., Negrimovsky V., Lukyanets E., Kaliya O., J. Porphyrins Phthalocyanines, 17: 881-888 (2013).
© А. В. Лобанов - к.х.н., ст.н.с., зам. зав. лаб. Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, avlobanov@mail.ru;
C. М. Васильев зам. дир. АНО ДПО «Институт современных стандартов», may200808@mail.ru; А. Б. Кононенко - к..б.н., доц., зав. лаб. санитарной микробиологии, Всерос. науч.-исслед. ин-тут ветеринарной санитарии, гигиены и экологии, sanmicrobio@mail.ru; Д. А. Банникова - к.б.н., ст.н.с. той же лаборатории; С. В. Бритова - к.б.н., ст.н.с. той же лаборатории; Е. П. Савинова - к.б.н., ст.н.с. той же лаборатории; В. Н. Горшенев - к.х.н., ст.н.с. лаб. прикладной электродинамики и фотоники композиционных материалов и наноструктур, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН; Г. Е. Заиков -д.х.н., проф., проф. каф. ТПМ КНИТУ; С. Д. Варфоломеев - д .х.н., проф., член-корр. РАН, дир., Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, sdvarf@sky.chph.ras.ru.
© A. V. Lobanov, Ph.D., Senior Researcher, Deputy to the Head of Laboratory, Laboratory of photobionics, Department of dynamics of chemical and biological processes, Semenov Institute of Chemical Physics of RAS, avlobanov@mail.ru; S. M. Vasilev, Deputy to Director, Institute of modem standards, may200808@mail.ru; A. B. Kononenko, PhD, Assoc., Head of Laboratory, Laboratory of sanitary microbiology, All-Russian Research Institute of Veterinary Sanitation, Hygiene and Ecology, sanmicrobio@mail.ru;
D. A. Bannikova, Ph.D., Senior Researcher, Laboratory of sanitary microbiology, All-Russian Research Institute of Veterinary Sanitation, Hygiene and Ecology; S. V. Britova, Ph.D., Senior Researcher, Laboratory of sanitary microbiology, All-Russian Research Institute of Veterinary Sanitation, Hygiene and Ecology; E. P. Savinova, Ph.D., Senior Researcher, Laboratory of sanitary microbiology, All-Russian Research Institute of Veterinary Sanitation, Hygiene and Ecology; V. N. Gorshenev, Ph.D., Senior Researcher, Laboratory of applied electromagnetics and photonics of composite materials and nanostructures, Department of the electronics of organic materials and nanostructures, Emanuel Institute of Biochemical Physics of RAS; G. E. Zaikov, D.Sc., Prof., Professor, Department of "Technology of Plastics", KNRTU; S. D. Varfolomeev, D.Sc., Prof., Corresponding member of Russian Academy of Sciences, Director, Emanuel Institute of Biochemical Physics of RAS, sdvarf@sky.chph.ras.ru.
