CC BY
0
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ
УДК 544.01, 615.032
КРИОХИМИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ НАНОФОРМ НА ОСНОВЕ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО ЛЕКАРСТВЕННОГО ПРЕПАРАТА ДИОКСИДИНА И СЕРЕБРА МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Андрей Владимирович Соловьев1, Софья Андреевна Громова1, Яна Андреевна Громова1, Андрей Владимирович Шабатин2, Юрий Николаевич Морозов1, 3, Татьяна Игоревна Шабатина1, 3
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
химический факультет
2
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, факультет фундаментальных наук Автор, ответственный за переписку: Андрей Владимирович Соловьев, [email protected]
Аннотация. Методом низкотемпературной соконденсации паров антибактериального компонента диоксидина (2,3-бис-(гидроксиметил)хиноксалина 1,4-ди-К-оксида) и серебра получены гибридные лекарственные наноформы, средний размер наночастиц диоксидина составляет 50-300 нм, размер допи-рующих частиц серебра составляет (15±3) нм. Образцы охарактеризованы методами ИК-, УФ-, РФЭС-спектроскопии и РФА. Показано, что гибридные наноформы включают преимущественно безводную триклинную кристаллическую Т- фазу диоксидина и кластеры серебра. Гибридные образцы стабилизированы донорно-акцепторными взаимодействиями поверхностных атомов наночастиц серебра (НЧС) с гидроксильными группами и донорными атомами азота хиноксалинового кольца молекул диоксидина.
Ключевые слова: криохимический синтез, гибридные лекарственные наноформы, антибактериальный препарат диоксидин, наночастицы серебра
Б01: 10.55959/М8Ш579-9384-2-2024-65-5-363-371
Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке Программы развития Московского университета (проект № 2023-Ш05-26). Мы благодарим Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН за возможность использовать оборудование Центра коллективного пользования и Министерство науки и высшего образования РФ за поддержку.
Для цитирования: Соловьев А. В., Громова С. А., Громова Я. А., Шабатин А. В., Морозов Ю.Н., Шабатина Т.И. Криохимическое формирование гибридных наноформ на основе антибактериального лекарственного препарата диоксидина и серебра методом низкотемпературной конденсации паров из газовой фазы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2024. Т. 65. № 5. С. 363-371.
© Соловьев А.В., Громова С.А., Громова Я.А., Шабатин А.В., Морозов Ю.Н., Шабатина ТИ., 2024
SCIENTIFIC ARTICLE
CRYOCHEMICAL SYNTHESIS OF HYBRID NANOFORMS BASED ON SILVER AND THE ANTIBACTERIAL DRUG SUBSTANCE DIOXIDINE
Andrey V. Soloviev1, Sofia A. Gromova1, Yana A. Gromova1, Andrey V. Shabatin2, Yurii N. Morosov 1 3, Tatyana I. Shabatina 1 3
1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry RAS 3 Bauman Moscow State Technical University, Faculty of Fundamental Sciences Author responsible for correspondence: Andrey V. Soloviev, [email protected]
Abstract. Hybrid nanoforms based on silver and antibacterial drug dioxidine (2,3-bis-(hydroxymethyl)quinoxaline 1,4-di-N-oxide) were prepared by the method of joint co-condensation of metal and ligand vapors on a liquid nitrogen cooled surface. The samples obtained by low temperature co-condensation were characterized by FTIR-, UV-Vis and XPS-spectroscopy, ТЕМ, SEM and powder X-ray phase analysis (ХРА). It was shown that cryomodified nanoforms preferably consist of anhydrous triclinic (T-phase) crystal phase of dioxidine, the dimensions of dioxidine particles ranges from 50 to 300 nm, the average size of included silver nanoparticles is (15±3) nm. Broadening of the diffraction patterns belonging to silver shows the transition of metallic silver to the nanoscale state. The FTIR results indicate for hybrid nanoforms stabilized by donor-acceptor interactions of surface silver atoms with hydroxyl groups and with donor N-atoms of quinoxaline cycles of dioxidine molecules.
Keywords: cryochemical synthesis, hybrid nanoforms, antibacterial medication dioxidine, silver nanoparticles
Financial support. The work was supported by the Program ofthe Development of MSU (grant N 2023-Sch-05-26). We are also thankful for the possibility to use the equipment of the Center for Collective use of the Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences, and the Russian Ministry of Science and Higher Education for the support.
For citation: Soloviev A.V., Gromova S.A., Gromova Y.A., Shabatin A.V., Morozov Yu.N., Shabatina T.I. Cryochemical Synthesis of Hybrid Nanoforms Based on Silver and the Antibacterial Drug Substance Dioxidine // Vestn. Mosk. un-ta. Ser. 2. Chemistry. 2024. T. 65. № 5. S. 363-371.
В настоящее время развитие рынка лекарств все больше зависит от результатов междисциплинарных исследований, не ограничивающихся стандартными способами поиска новых лекарственных молекул. Для разработки эффективных лекарственных средств, отвечающих требованиям безопасности, в дополнение к классическим методам «drug discovery» следует обратить внимание на лекарственную форму [1, 2], которая характеризуется такими параметрами, как агрегатное состояние, кристалличность и размер частиц (для твердых фаз), наличие вспомогательных веществ и т.д. Подход, предусматривающий модификацию лекарственной формы, имеет ряд преимуществ: удается повысить биоактивность
и биодоступность препарата, перейти к более удобной форме введения, снизить побочные эффекты и т.д. [3-5]. В том случае, когда структура лекарственной молекулы остается постоянной при модификации, число необходимых доклинических и клинических испытаний существенно сокращается [5].
Из множества возможных путей модификации лекарственной формы стоит выделить методы, основанные на изменении физико-химических свойств вещества без изменения химической структуры. К таким методам относятся наномодификация (уменьшение размера частиц препарата) и получение метастабиль-ных кристаллических форм [6-10]. Эти методы позволяют повысить биодоступность, что осо-
бенно важно для малорастворимых лекарственных форм [11]. Создание гибридных систем из нескольких действующих веществ позволяет повысить их биоактивность, в том числе за счет синергии [12-15].
Создание новых лекарственных форм с объединением приведенных выше подходов необходимо в таких сферах, как онкология и борьба с микробами, поскольку все больше штаммов вырабатывает резистентность к существующим антибиотикам. В настоящее время активно исследуется метод создания композитных препаратов с наночастицами серебра как один из перспективных путей к расширению пула эффективных антибиотиков [16-18]. Показанное в ряде случаев повышение антибактериальной активности гибридных систем можно объяснить синергическим действием антибиотика и серебра, одновременно действующих на клетку бактерии по разным механизмам.
В настоящей работе были получены и исследованы гибридные наносистемы на основе наночастиц серебра (НЧС) и антибактериального препарата диоксидина, химическая структурная формула которого приведена на рис. 1. Ранее такие гибридные системы получали крио-сублимационной сушкой замороженных водных растворов, содержащих диоксидин и наночастицы серебра [19-22]. Преимущество метода низкотемпературной конденсации паров из газовой фазы заключается в возможности получать системы с малым и контролируемым размером частиц, обладающих высокой хими-
Рис. 1. Микрофотография ПЭМ гибридной наносистемы Agn - диоксидин
ческой активностью, а также в высокой чистоте лекарственных и гибридных образцов, получаемых в высоком вакууме без использования растворителя [23-25].
Экспериментальная часть
Формирование гибридных наносистем Agn - диоксидин. Формирование нанокомпози-тов на основе серебра с диоксидином проводили методом совместной конденсации паров ли-ганда диоксидина и металлического серебра на подложку, охлаждаемую до температуры жидкого азота (77-80 К). Субстанцию диоксидина, соответствующую фармакопейной статье (ФС) 42-2308-97, и пластинку серебра (99,9%) использовали без дополнительной очистки. Были проведены четыре криохимических синтеза, когда диоксидин испаряли при температуре 110 °С, серебро - при температуре 1050 (S1) и 1100 °С (S2) в течение 20-30 мин.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Микрофотографии образцов получали методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе «JSM 6380 LA Jeol» (Япония) при увеличении 105-106
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). СЭМ-микрофотографии образцов регистрировали методом сканирующей электронной микроскопии с помощью электронного микроскопа «FEI QUANTA 650 FEG2» («Thermo Fisher Scientific», Хиллсборо, Орегон, США) Центра коллективного пользования Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумки-на РАН. Съемка осуществлялась при 5-10 кВ в вакууме (10-4 Торр) с детектором вторичных электронов.
Рентгенофазовый анализ. Рентгенофазовый анализ образцов проводили на дифрактометре «Rigaku D/MAX-2500» (Япония) при CuKa-излучении (А = 1,54056 Ä) в области углов 20 от 0 до 50.
Усредненный размер НЧС был рассчитан по уширению дифракционного пика с использованием формулы Шеррера:
K А
d =-,
ß cos е
где d - средний размер микрокристаллитов, А - длина волны рентгеновского излучения, K - безразмерный коэффициент формы частиц, равный 0,94 для сферических частиц, ß - ширина рефлекса на полувысоте, 0 - брэгговский угол.
Рис. 2. Микрофотография СЭМ гибридной наносистемы Agn - диоксидин
Квантово-химические расчеты. Методом функционала плотности (DFT) были рассчитаны структуры малых кластеров серебра (Agn, n = 2, 3, 13) и их комплексы с диоксиди-ном. Расчеты проводили совместно с канд. хим. наук А.Ю. Ермиловым (НИЛ квантовой химии и молекулярного моделирования кафедры физической химии химического факультета МГУ).
ИК-спектроскопия. ИК-спектры полученных твердых образцов регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре «Tensor II» («Brucker», Германия) в интервале частот колебаний
400-4000 см-1 при комнатной температуре с использованием сменного модуля нарушенного полного внутреннего отражения Боо-ЛТЯ с кристаллом 2п8е.
Результаты и их обсуждение
Методом криохимического синтеза, основанного на совместной конденсации паров лекарственного вещества диоксидина и серебра на подложку криохимического реактора, охлаждаемую жидким азотом, была получена гибридная наноситема Agи - диоксидин.
Анализ ПЭМ микрофотографий (рис. 1) показывает, что полученные образцы представляют собой частицы криомидифицированного диоксидина размером от 50 до 350 нм, внутри которых и на их поверхности локализованы НЧС с средним размером (15±3) нм.
Данные ПЭМ подтверждают сведения о размере наночастиц диоксидина, полученые методом тепловой десорбции аргона. На микрофотографии СЭМ (рис. 2) визуализируются сростки отдельных наночастиц диоксидина размером 50-300 нм,
Методом РФА были получены рентгенограммы гибридной наносистемы Agи - диоксидин (рис. 3). Расчет межплоскостных расстояний в области больших углов при 20 = 38 град. и 20 = 45 град. показал, что они могут быть отнесены к рефлексам кластеров серебра, полностью совпадают с межплоскостными расстояниями ГЦК решетки и идентифицированы как
Рис. 3. Рентгенограмма гибридной наносистемы Ag - диоксидин
Рис. 4. Строение координационного комплекса Ag - диоксидин
кристаллографические плоскости серебра с индексами Миллера (111) и (200). Уширение этих рефлексов подтверждает образование в системе наноразмерных кластеров серебра. По формуле
Шеррера был оценен средний размер наноча-стиц серебра, он составил (15±3) нм.
В области углов от 10 до 32 град. находятся рефлексы криомодифицированного диоксидина
Т а б л и ц а 1
Структурные параметры и энергии стабилизации донорно-акцепторных комплексов диоксидина
с кластерами серебра (Ag, Ag2, Ag3, Ag13)
Комплекс Тип координации Длина связи, А Валентный угол (град.) Энергия стабилизации ккал/моль
Ag - диоксидин металл координирован к неподеленной электронной паре кислорода из ОН-группы расстояние Ag-O достигает 2,6 А, что больше типичной длины связи Ag-O (приблизительно 2 А) C-O-Ag (—117) 4,7
Ag2 - диоксидин концевой атом кластера координируется лишь к одному атому кислорода из ОН-группы расстояние Ag-O достигает 2,401 А, расстояние Ag-Ag достигает 2,593 А (чуть меньше, чем в свободном димере) C-O-Ag (—119) 10,б
Ag3 - диоксидин кластер координируется сразу к двум атомам кислорода ОН-групп длина связи Ag-O составляет 2,268 А, расстояния Ag-Ag составляют 2,704 и 2,769 А C-O-Ag (—111,36) 15,7
Ag13 - диоксидин Икосаэдр искажен мало, координируется сразу к двум атомам кислорода ОН-групп длина связи Ag-O составляет 2,423 А, а расстояние Ag-Ag достигает 3,2 А C-O-Ag (—119,92) 18,8
(рис. 3). Согласно проведенным ранее кристаллографическим исследованиям [26], обнаруженные рефлексы могут быть отнесены к образованию безводной триклинной модификации диоксидина.
Методом DFT были оптимизированы и рассчитаны структуры кластеров серебра Agn (n = 2, 3, 13) в системе и их комплексы с диоксидином. Самым устойчивым является кластер Ag13, о чем свидетельствует наибольшая энергия связи Ag-Ag. На основании расчетных данных можно сделать вывод, что самым устойчивым является комплекс с икосаэдрическим кластером серебра
(рис. 4, табл. 1). Тенденции в строении комплексов сильно отличаются от тех, что наблюдаются в системах, где атом металла замещает атом водорода в спиртовой группе диоксидина.
ИК-спектры исходного диоксидина и гибридной наносистемы Agn - диоксидин представлены на рис. 5, а сдвиги характеристических частот колебаний отдельных функциональных групп молекулы диоксидина - в табл. 2.
Характеристические частоты колебаний всех функциональных групп отнесены на основании данных электронной библиотеки NIST. В спектре исходного образца диоксидина (моногидрат
Рис. 5. А - ИК-спектры исходного диоксидина и гибридной наносистемы Диоксидин - Agn; Б - фрагмент ИК-спектра образцов диоксидина (1 - фармакопейный диоксидин, 2 - наноформы диоксидина (Т форма), 3 - гибридные нанокомпозиты диоксидина с серебром)
Т а б л и ц а 2
Характеристические частоты колебаний исходного диоксидина и гибридной системы Agn - диоксидин
Характеристические колебания Диоксидин исходный Диоксидин (Т-форма) Agn - диоксидин
hinox 1 506 1 505 1 510
hinox 1 450 1 443 1 444
NO-CH 1 374 1 373 1 37б
NO-CH 1 318 1 318 1 312
COH-HCH 1 280 1 289 1 288
COH-HCH 1 212 1 210 1 208
COH-HCH - 1 189 1 187
COH-HCH 1 159 1 1б2 1 1б4
COH-HCH 1 113 1 110 1 110
C-O 1 055 1 057 1 05б
C-O 1 038 1 037 1 038
C-O 1 023 1 022 1 021
COH-HCH 971 971 972
hinox 823 824 824
CH 779 775 779
1:1) в области от 3550 до 3251 см 1 идентифицируются полосы, соответствующие колебаниям межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей - ОН-групп. В спектре гибридной наносистемы Agn - диоксидин наблюдается уширение и уменьшение интенсивности исходных полос характеристических колебаний гидроксильных групп диоксидина, что может быть связано как с увеличением вклада безводной триклинной кристаллографической модификации диоксидина, так и с координационным взаимодействием гидрок-сильных групп с поверхностными центрами кластеров серебра.
Наблюдаются сдвиги частот характеристических колебаний некоторых других функциональных групп: для хиноксалинового кольца в исходном образце диоксидина - 1443 см 1, в полученном криохимичнски образце гибридной наносистемы Agn - диоксидин сдвиги составляют 1450 см-1, для CH-групп в исходном образце диоксидина - 1159 см-1, в полученном образце гибридной наносистемы - 1170 см 1 Взаимодействие кластеров серебра с донорны-ми группами диоксидина приводит к смещению характеристических частот колебаний хинокса-
линового кольца в область больших частот, что говорит о возможном образовании донорно-ак-цепторных взаимодействий между атомами N-гетероцикла молекулы диоксидина и поверхностными атомами кластеров серебра.
Таким образом, в представленной работе впервые было осуществлено формирование гибридной наносистемы Agn - диоксидин, методом совместной соконденсации паров лекарственного вещества диоксидина и металлического серебра на подложку криохи-мического реактора, охлаждаемую жидким азотом. Размер органических частиц диоксидина лежит в диапазоне 50-350 нм, средний размер наночастиц серебра (НЧС) составил (15±3) нм. Методом ИК-спектроскопии для гибридной наносистемы на основе диокси-дина, допированной наночастицами серебра, показано наличие координационных донор-но-акцепторных взаимодействий между поверхностными центрами нанокластеров серебра и гидроксильными группами молекулы диоксидина, а также атомами азота хинокса-линового кольца, стабилизирующими полученные наноформы гибридной наносистемы Agn - диоксидин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Rolain J.M., Abat C., Jimeno M.T., Fournier P.E., Raoult D. // Clin. Microbiol. Infect. 2016. Vol. 22, P. 408.
2. Tacconelli E., Carrara E., Savoldi A., et al. // Lancet. Infect. Dis. 2018. Vol. 18. P. 318.
3. Синтез и функциональные свойства гибридных наноформ биактивных и лекарственных веществ / Под ред. М.Я. Мельников, Л.И. Трахтенберг. М., 2019. 384 с.
4. Van Norman G.A. // JACC Basic Transl. Sci. 2016. Vol. 1. P. 170.
5. Kaur J., Aggarwal G., Singh G., Rana A.C. // Int. J. Pharm. Pharm. Sci. 2012. Vol. 4. P. 47.
6. Eisenstein E.L., Collins R., Cracknell B.S., et al. // Clin. Trials. 2008. N 5. P. 75.
7. Farjadian F., Ghasemi A., Gohari O., Roointan A., Karimi M., Hamblin M.R. // Nanomed. 2019. Vol. 14. P. 93.
8. Madheswaran T., Kandasamy M., Bose R.J., Karup-pagounder V. // Drug. Discov. Tod. 2019. Vol. 24. P. 1405.
9. Raza K., Kumar P., Ratan S., Malik R., Arora S. // Pharm. & Pharm. Sci. 2014. Vol. 1 (2). P. 10.
10. Guranda D.T., Gil'deeva G.N. Preparation of drug polymorphs (a review). // Pharm. Chem. J. 2010. Vol. 44 (5). P. 254.
11. Kumar A., Chauhan J., Dubey K. D., Sen S., Munshi P. Tuning Potency of Bioactive_Molecules via Polymorphic Modifications: A Case Study. // Mol. Pharm. 2022. Vol. 19. P. 1008.
Информация об авторах
12. Li L., Yin X.H., Diao K.S. // ACS Omega. 2020. Vol. 5. P. 26245.
13. Richardson L.A. // PLoS Biol. 2017. Vol. 15 (8): e2003775, P. 2.
14. Vernaya O.I., Shabatin V.P., Nuzhdina A.V. // Russ. Chem. Bull. 2017. Vol. 66. P. 2152.
15. Li P., et al. // Nanotechnology 2005. N. 16. P. 1912.
16. Smekalova, M., et al. // Vet. J., 2016, N 209. P. 174.
17. Kim T., Zhang Q., Zhang L., Jokerst J.V. // ACS Nano. 2018. N 12. P. 5615.
18. Ranpariya B., Salunke G., et al. // Frontiers in Microbiology. 2021. N 11. P. 1.
19. Datta P., Gupta V. // Indian J. Med. Res. 2019. N 149. P. 97.
20. Шабатина Т.И., Верная О.И., Нуждина А.В., Шабатин В.П., Семенов А.М., Мельников М.Я. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2019. Т. 93. № 3. С. 1569.
21. Верная О.И., Шабатин В.П., Семенов А.М. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2016. Т. 57. № 5. С. 315.
22. Верная О .И., Шабатин В.П., Хватов Д. И. и др. // Журн. физ. химии. 2017. Т. 91. № 2. С. 230.
23. Shabatina T.I., Vernaya O.I, Shabatin V.P. // Crystals. 2018. Vol. 8. № 7. P. 298
24. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М., 2007. 332 с.
25. Сергеев Г.Б. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Хи -мия. 1999. Т. 40. № 5. С. 312.
26. Shabatina T.I., Vernaya O.I., Shabatin V.P. // Crystals. 2018. Vol. 8. Р. 29.
Андрей Владимирович Соловьев - аспирант кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова ([email protected]);
Софья Андреевна Громова - студентка химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова ([email protected]);
Яна Андреевна Громова - науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, канд. хим. наук. ([email protected]);
Андрей Владимирович Шабатин - науч. сотр. Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, канд. физ .-матем. наук ([email protected]);
Юрий Николаевич Морозов - ст. науч. сотр. кафедры химической кинетики химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, доцент кафедры химии факультета фундаментальных наук МГТУ им. Н .Э. Баумана, канд. хим. наук. ([email protected]);
Татьяна Игоревна Шабатина - зав. лабораторией химии низких температур, вед. науч. сотр.к химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, профессор кафедры химии факультета фундаментальных наук МГТУ им. Н .Э. Баумана, доктор хим. наук ([email protected]).
Вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Соблюдение этических стандартов
В данной работе отсутствуют исследования человека и животных.
Статья поступила в редакцию 16.08.2023; одобрена после рецензирования 16.08.2023; принята к публикации 16.08.2023.
