CC BY
43
УДК 544.032+544.778
КРИОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОКОМПОЗИТОВ СЕРЕБРА С ДИОКСИДИНОМ
О.И. Верная*, В.П. Шабатин, А.М. Семенов, Т.И. Шабатина
(кафедра химической кинетики; *e-mail: olga_vernaya@mail.ru)
Проведен криохимический синтез нанокомпозитов на основе антибактериального препарата диоксидина и наночастиц серебра. Методами УФ-спектроскопии, РФА, ПЭМ и низкотемпературной адсорбции аргона показано, что полученные гибридные системы представляют собой частицы диоксидина размером 50-300 нм, внутри которых заключены наночастицы серебра размером 2-40 нм. Полученные наноком-позиты оказались более активны к процессам подавления роста E. coli 52, S. aureus 144 и M. cyaneum 98 по сравнению с исходным диоксидином.
Ключевые слова: наночастицы серебра, диоксидин, криохимический синтез, гибридные материалы, нанокомпозиты.
Применение антибиотиков произвело революцию в лечении больных с бактериальными инфекциями. Однако их широкое и не всегда обоснованное применение в медицине и ветеринарии привело к появлению и росту числа штаммов бактерий, ставших устойчивыми к антимикробным лекарственным средствам [1-2]. Последствиями возросшей резистентности микроорганизмов являются увеличение сроков госпитализации, большие затраты на лечение, растущий уровень заболеваемости и смертности. Из-за патогенных микроорганизмов, резистентных к антибиотикам, в Европе ежегодно умирает около 25 000 человек, в США зафиксировано 23 000 смертей в год.
В последние годы появилось большое число публикаций, в которых предлагается решать проблему устойчивости патогенных микроорганизмов к антибиотикам за счет одновременного использования вместе с этими лекарственными препаратами наночастиц металлов, к которым у резистентных штаммов бактерий не вырабатывается устойчивости [3-7]. В этих работах также выявлен синергетический эффект взаимного усиления антибактериальной активности антибиотиков и наночастиц металла. Поэтому представляет интерес создание гибридных препаратов на основе антибиотиков или антибактериальных лекарственных средств с наночастицами металлов, преимущественно наночастицами серебра. Антибактериальный препарат в данных системах может выступать не только как лекарственное средство, но и как стабилизатор наночастиц металла. Одним из таких веществ является диоксидин (2,3-бис-(гидроксиметил)хиноксалин-К,№-
диоксид) - синтетический антибактериальный препарат из группы производных хиноксалина, который имеет широкий спектр действия, включая активность в отношении анаэробных возбудителей [8-9].
Криохимическая модификация - метод, позволяющий уменьшить размер и изменить структуру частиц лекарственных препаратов в целях повышения их эффективности [10]. Этот метод дает также возможность получать гибридные композиты лекарственных веществ с наночастицами металлов, в том числе серебра и меди.
Цель настоящей работы - криохимический синтез нанокомпозитов на основе антибактериального препарата диоксидина и наночастиц серебра, а также определение их антибактериальной активности.
Экспериментальная химическая часть
Субстанцию диоксидина, соответствующую фармакопейной статье (ФС) 42-2308-97, и кол -лоидное серебро марки КНД-С-К (ТУ 9154-02474107096-2008) использовали без дополнительной очистки. Для осуществления синтеза нанокомпо-зитов диоксидина с серебром водный раствор ди-оксидина и коллоидного серебра замораживали и подвергали лиофильной сушке в течение 24 ч.
УФ-спектрометр «SPECORD M 40» («Carl Zeiss», Germany) использовали для получения спектров водных растворов композитов в интервале 200-500 нм. Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов проводили на дифрактометре «Rigaku D/MAX-2500» («Rigaku», Япония) на CuKa-излучении (X = 1,54056 Ä).
Определение удельной поверхности (S ) на-нокомпозитов проводили методом тепловой десорбции аргона на установке на базе хроматографа «Хром 5». Предварительно адсорбированные газы удаляли с поверхности образцов на вакуумной установке. Средний размер частиц (d) рассчитывали по формуле d = 6/р S где р - плотность диоксидина.
Микрофотографии полученных образцов получали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на электронном микроскопе «JSM 6380 LA» при увеличении х1000 ... х20000.
Определение антибактериальной активности исходного диоксидина и полученных нанокомпо-зитов осуществляли диско-диффузионным методом [11] с использованием прессованных таблеток исходного диоксидина и криомодифицированно-го образца. В качестве тест-культур использовали бактерии (бесспоровые грамотрицательные и грамположительные), полученные из коллекции культур кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (E. coli 52, S. aureus 144 и M. cyaneum 98). Эксперименты проводили в чашках Петри (20 мл агаризованной питательной среды, подсушенной в течение суток, толщина слоя среды 4 мм). Измерение зон подавления роста (ЗПР) тест-культур проводили через 16, 24 и 48 ч инкубации, данные представлены в таблице.
Результаты и их обсуждение
В целях установления химического состава полученные композиты были охарактеризованы ме-
тодами РФА и УФ-спектроскопии. В УФ-спектрах водного раствора образца (0,1 мас.%) присутствуют пики с максимумами при 241, 259 и 376 нм, относящиеся к диоксидину [12]. Кроме того, в области 405 нм имеет место поглощение, вызванное поверхностным плазмонным резонансом наноча-стиц серебра.
Набор межплоскостных расстояний А) и соответствующих им значений интенсивности, рассчитанных на основании рентгеновской диф-рактограммы полученных композитов (рис. 1), соответствуют набору межплоскостных расстояний и значения интенсивностей нанокристаллитов диоксидина [13-14].
d, Ä 8,742 8,038 6,936 3,362 3,313
I, % 82,6 75,8 56,3 100,0 70,0
В полученной дифрактограмме не видны пики, относящиеся к серебру, что связано, вероятно, с низким его содержанием в образцах (0,3-1,0%) и уширением полос, вызванным малым размером его частиц.
Для получения информации о размере частиц и морфологии полученного гибридного материала была использована ПЭМ. Полученные микрофотографии, одна из которых приведена на рис. 2, свидетельствуют о том, что композиты представляют собой органические частицы размером 50-300 нм, внутри которых заключены наночастицы серебра размером 2-40 нм.
Данные об удельной поверхности полученных нанокомпозитов подтверждают данные ПЭМ.
Диаметры зон подавления роста S. aureus 144, M. cyaneum 98 и E. coli 52 вокруг таблеток исходного диоксидина и нанокомпозитов диоксидина с серебром (0,3% Ag) через 16-48 ч инкубации
Используемые штаммы бактерий Время инкубации, ч Диаметр зон задержки роста вокруг таблеток исходного диоксидина, мм Диаметр ЗПР вокруг таблеток нанокомпозитов диоксидина с серебром, мм
E. coli 52 16 34,0±1,0 37,7±0,6
S. aureus 144 33,0±1,0 36,3±0,6
M. cyaneum 98 26,3±0,6 37,0±1,0
E. coli 52 24 32,7±1,2 36,7±0,6
S. aureus 144 30,3±0,6 37,0±1,0
M. cyaneum 98 26,0±0,6 36,3±0,6
E. coli 52 48 33,3±0,6 36,7±0,6
S. aureus 144 19,7±1,2 24,0±1,0
M. cyaneum 98 25,3±1,2 36,3±0,6
Рис.1. Рентгеновская дифрактограмма нанокомпозитов серебра с диоксидином, полученных методом криохимического синтеза
Рис. 2. Микрофотография и электронная дифрактограмма нанокомпозитов серебра с диоксидином, полученных методом криохимического синтеза (а); распределение по размерам наночастиц серебра, входящих в
состав полученных композитов (б)
Удельная поверхность полученного гибридного материала и рассчитанный на ее основании средний размер его частиц составляют соответственно 31 м2/г и 130 нм.
Нанокомпозиты на основе диоксидина и серебра проявили активность по отношению к E. coli 52, S. aureus 144 и M. cyaneum 98. Размер зон подавления роста вокруг таблеток полученных композитов превышал размер зон задержки роста вокруг таблеток исходного диоксидина на 2-11 мм. Наибольшее различие в антибактериальной активности исходного диоксидина и полученного гибридного материала наблюдалось по отношению к М. cyaneum 98. Продолжительность времени инкубации Е. coli 52 и М. cyaneum 98 с исходным
диоксидином и полученными композитами не оказывала сильного влияния на размер ЗПР. В случае S. aureus 144 как для исходного диоксидина, так и для нанокомпозитов диоксидина с серебром увеличение времени инкубации приводит к сокращению диаметра ЗПР.
Таким образом, в ходе настоящей работы были получены нанокомпозиты диоксидина с серебром, представляющие собой органические частицы размером 50-300 нм, внутри которых заключены наночастицы серебра размером 2-30 нм. По отношению к E. coli 52, S. aureus 144 и M. cyaneum 98 полученные композиты показали более высокую антибактериальную активность, чем исходный диоксидин.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 16-13-10365).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. TeuberM. // Curr. Opin. Microbiol. 2001. Vol. 4. N 5. P. 493.
2. Alanis A.J. // Arch. Med. Research. 2005. Vol. 36. N 6. P. 697.
3. Geoprincy G., Saravanan P., Gandhi N.N., Renga-nathan S. // Digest J. of Nanomat. and Biostructures. 2011. Vol. 6. N 4. P. 1557.
4. Haider Naqvi S. Z., Kiran U., Ali M.I., Jamal A., Ha-meed Ab., Ahmed S. // Int. J. of Nanomedicine 2013. Vol. 8. P. 3187.
5. Gurunathan S. // J. of Ind. and Eng. Chemistry. 2015. Vol. 29. P. 217.
6. Shahverdi A.R., Fakhimi A., Shahverdi H.R., Minaian S. // Nanotechnol. Biol. and Medicine 2007. Vol. 3. P. 168.
7. Fayaz A.M., Balaji K., Girilal M., Yadav R., Ka-laichelvan P.T., Venketesan R. // Nanotechnol. Biol. and Medicine 2010. Vol. 6. P. 103.
8. Падейская Е.Н. // Инфекции и антимикробная терапия. 2001. N 5. P. 150
9. Глушков Р.Г., Дронова Л.Н., Елина А.С. // Хим.-фарм. журн. 1990. Vol. 24. N 1. P. 33.
10. Сергеев Б.М., Михалев С.П., Морозов Ю.Н. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2010. Vol. 51. P. 440.
11. Определение чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам. Методические указания / Под. ред. Г.Г. Онищенко. М., 2004.
12. ФС 42-2308-97.
13. Верная О.И., Шабатин В.П., Семенов А.М., Шабатина Т.И. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2016. Vol. 57. P. 315.
14. Шабатин В.П., Верная О.И., Семенов А.М., Шабатина Т.И. Патент RU № 2014114406 от 11 апреля 2014.
Поступила в редакцию 25.05.16
CRYOCHEMICAL SYNTHESIS AND ANTIBACTERIAL ACTIVITY OF HYBRID COMPOSITION BASED ON Ag NANOPARTICLES AND DIOXIDINE
O.I. Vernaya*, V.P. Shabatin, A.M. Semenov, T.I. Shabatina
(Division of Chemical Kinetics;*e-mail: olga_vernaya@mail.ru)
Hybrid nanocomposites based on dioxidine antimicrobial substance, modified by silver were produced by means of cryochemical synthesis. TEM, UV-absorption spectroscopy, X-ray diffraction, surface analysys based on low temperature argon adsorbtion showed the formation of hybrid nanosystems consisting of drug substances particles with the size of 50-300 nm including inside small Ag nanoparticles with the size of 2-40 nm. Obtained hybrid nanosystems showed higher antibacterial activity against E. coli 52, S. aureus 144 and M. cyaneum 98 than original drug.
Key words: silver nanoparticles, dioxidine, cryochemical synthesys, hybrid materials, nanocomposites.
Сведения об авторах: Верная Ольга Ивановна - науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, канд. хим. наук (olga_vernaya@mail. ru); Шабатин Владимир Петрович - ст. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, канд. хим. наук (vovapsh@rambler.ru); Семенов Александр Михайлович - вед. науч. сотр. кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, докт. биол. наук (amsemenov@list.ru); Шабатина Татьяна Игоревна - зав. лабораторией химии низких температур, вед. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доцент, докт. хим. наук (tatya-nashabatina@yandex.ru).
