CC BY
89
УДК 544.72:546.72
МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ ДЛЯ ДОКСОРУБИЦИНА И ЕГО ХИМИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ В МОДЕЛЬНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ
Т.А. Юрмазова, А.И. Галанов, Г.Г. Савельев, Н.А. Яворовский, Г.Л. Лобанова, В.А. Митькина
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Методом импульсной элекроэрозии железа в жидких средах (вода, растворы фосфорной кислоты и этилового спирта, гексан) получены образцы магнитных носителей лекарственных препаратов для онкологии (доксорубицина). Показано, что образец, полученный в гексане, обладает наибольшей адсорбционной емкостью по доксорубицину с его химической трансформацией при десорбции. Установлено, что для образца полученного в гексане наблюдается химическое трансформирование. Данный образец хорошо растворим в плазме человеческой крови. Максимальное время растворения и возможного вывода железа из организма не превышает 10 сут.
Ключевые слова:
Импульсная электроэрозия, адсорбция, доксорубицин, нанопорошки, химическое трансформирование.
Введение
В последние годы все чаще в химиотерапии предлагается использование магнитоуправляемых лекарственных форм и доставка их с помощью внешнего магнитного поля к органу-мишени [1-5]. Это связано, прежде всего, с цитотоксическим воздействием препаратов не только на опухолевые, но и на нормальные клетки организма. Использование магнитоуправляемых лекарственных форм позволяет создать оптимальную концентрацию лекарственных препаратов в зоне реализации лечебного эффекта и существенно снизить системную токсичность, как за счет уменьшения общей дозы, так и за счет продолжительного удержания лекарства в очаге поражения [3].
Работы по созданию магнитных носителей лекарственных препаратов проводятся в настоящее время по нескольким направлениям [6], одно из которых связано с «прямой посадкой», то есть с адсорбцией, лекарственного вещества на поверхность магнитного носителя [6, 7]. Это направление обладает рядом преимуществ, связанных, прежде всего, с простотой и высокой скоростью получения, возможностью приготовления магнитоупра-вляемого препарата непосредственно на месте применения. В тоже время имеется несколько проблем при реализации этого метода. К ним относятся: необходимость обеспечения оптимальной энергии взаимодействия препарата с поверхностью сорбента и обеспечение безопасной биотрансформации носителя с удалением его из организма, о которой можно судить по скорости его растворения в модельных биологических жидкостях.
В работах [5, 7] показано, что прочность закрепления препаратов на Fe-содержащих силикагелях достаточно высокая, так, что десорбция лекарств имеет значительные величины энергии связи в физиологических фосфатных и натрийхлоридных растворах: только при 10...24 ч десорбции. Однако, биотрансформация этого носителя не исследована и, видимо, будет затруднена вследствие инертности силикагеля. Экспериментально для систем на ос-
нове Fe3O4 отмечено [6, 7], что все введенное в организм железосодержащие препараты в виде носителя выводится из организма в течении 10...15 сут. В работе [8] показано, что биотрансформация Fe3O4 и Fe в организме и плазме крови происходит достаточно быстро, однако непосредственная адсорбция противоопухолевых преапаратов не исследована. Таким образом, для продвижения системы «лекарство - магнитный носитель» к применению имеется необходимость исследования и адсорбции, и биотрансформации.
В настоящее время магнитные порошки получают различными способами: золь-гель, механохими-ческие и различные плазмохимические технологии. В большинстве работ приводятся данные по использованию магнетита, полученного химическим путем по реакции совместного щелочного гидролиза солей двух- и трехвалентного железа [3, 4, 6]. Следует отметить, что для придания необходимых сорбцион-ных характеристик требуется либо химическая модифицирование поверхности, либо ее активация с помощью физико-химических методов [6].
Ранее нами в работе [9] магнитные порошки получали диспергированием железных стружек при их обработке импульсными электрическими разрядами. Жидкой средой служили: вода, раствор фосфорной кислоты, этиловый спирт и гексан. Было показано, что препарат, полученный в среде гексана, обладает не только наибольшей адсорбционной способностью по отношению к противоопухолевому препарату цитостатического действия доксорубицину (ДР) , но и сам имеет заметную противоопухолевою активность, которая существенно усиливаются при адсорбции ДР. Причем, для системы «наночастица - адсорбированный доксорубицин» меняется характер действия лекарственного средства с цитостатического на цитоли-тический, что несомненно связано с изменением химической природы доксорубицина при его адсорбции на магнитный носитель. В связи с перспективностью использования этого препарата возникает необходимость исследований механизма
сорбции и способности к растворению и выводу из организма.
Настоящая работа посвящена исследованию механизма адсорбции ДР на железо содержащих магнитных порошках, полученных с использованием импульсного электрического разряда, и их растворения в модельных биологических жидкостях.
1. Методы исследований и материалы
Методика импульсного диспергирования и схема установки подробно описаны в работах [10, 11]. В данной работе были получены и исследованы композиционные образцы на основе железа, полученные при одинаковых электрофизических параметрах разряда, но при диспергировании в различных средах: образец А - в воде, образец В - в 10 % растворе фосфорной кислоты, образец С - в 95 % растворе этилового спирта и образец D - в гексане. В качестве металлической загрузки использовали обломки стальных стружек (Ст. 3), которые были предварительно очищены действием разбавленной соляной кислоты. Характерные размеры стружек -10x4x0,5 мм. Продуктом электроэрозии являлась суспензия наночастиц в жидкой фазе.
Для получения сухих порошков суспензию центрифугировали и осадки высушивали при 150 °С. Химический состав полученных порошков определяли с помощью традиционных аналитических методов. Концентрацию различных форм железа после растворения порошков в HCl определяли фотоколо-риметрически на фотоколориметре КФК-2-МП. При определении содержания металлического железа использовали волюмометрическое метод. Фазовый состав образца изучен с использованием ди-фрактометра Shimadzu XRD-6000 с СиКа-излуче-нием. Анализ фазового состава, размеров областей когерентного рассеивания проведен с использованием базы данных PCPDFWIN, а так же программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Инфракрасные спектры получены на использованием ИК-спектрометра Nicolet 5700. Морфологические характеристики образцов, распределение частиц по размерам, а также дополнительные сведения о фазовом составе образцов определяли методом просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп ЭМ-125). Площади удельных поверхностей образцов £уд определены с помощью метода тепловой десорбции азота с использованием анализатора Sorbi-3M.
В качестве лекарственного препарата был выбран доксорубицин, как часто используемый в химиотерапии различных онкологических заболеваний и как наиболее часто используемый модельный препарат [3, 4]. При изучении биотрансформации в качестве растворителей использовали физиологический раствор (водный 0,9 % раствор NaCl), фосфатный буфер (рН=7,4), раствор аминокислот (торговая марка Аминоплазмаль Е) и плазму человеческой крови. Суммарное содержание железа определяли в растворителях по стандарт-
ным методикам [12]. Степень растворения рассматривали как отношение количества железа перешедшего в раствор к общему содержанию железа в составе порошка.
2. Результаты и обсуждение
2.1. Общая характеристика образцов
Особенность получения нанопорошков в условиях импульсного электрического разряда заключатся в плавлении материала металлических стружек и электродов с последующим выбросом материала в виде капель расплавленного металла с исходной температурой около 2500 К [13]. Далее происходит поверхностное взаимодействие расплавленного металла с жидкой средой и ее компонентами при быстром охлаждение частиц (скорость охлаждения 105...106 К/с). Результатом такого взаимодействия после окончания процесса будут частицы, состоящие из металлического ядра, закрытого пленкой продуктов взаимодействия металла и дисперсионной среды. При контакте частиц, выделенных из суспензии с воздухом, происходит образование различных оксидных и оксогидроксидных фаз.
Рис. 1. Микрофотография образца D, полученного в гексане
Анализ химического и фазового состава (таблица) в целом соответствует представленому выше. Как видно из результатов рентгенофазового анализа (РФА), образцы, полученные в водных растворах, а также в спирте, по фазовому составу аналогичны друг другу. Отличия наблюдаются только в количественном соотношении фаз. Дополнительно к фазам, определенных методом РФА, в образцах С и Б дифракцией электронов определены дополнительные фазы: для образца С - карбонат и гидрокарбонат железа, а для образца Б - оксиды двух- и трехвалентного железа, а также фаза гексагонального графита, они находятся на поверхности частиц и составляют малую долю образца. ИК-спектроско-пией обнаружено, что в образце В имеется небольшое количество РО43-групп. В образце В наблюдалось значительное количество аморфной фазы.
Морфологический состав образцов, определенный электрономикроскопически, в целом схож. Для всех образцов наблюдаются в различных про-
порциях сферические частицы аа^е с размерами 5... 140 нм, ограненные частицы с характерными размерами 5...20 нм. В целом, образцы сильно агрегированы. Кроме того, для образца D характерно наличие пор с диаметром 2...4 нм, образуемых при агломерацией сферических частиц (рис. 1). Приведённые в таблице данные относятся к порошкам, которые после высушивания при 200 °С хранились на воздухе в течение 10 дн. В свежеполученных (срок хранения не более 2 ч) и не высушенных образцах А содержание металлического железа около 90 %, то есть этот образец наиболее быстро окисляется на воздухе, покрываясь оксидами и гидрокси-дами. Образцы В, полученный в фосфатной среде, пассивирован фосфатами по отношению к окислению. Образцы С и D, полученные в восстановительных средах, имеют несколько большую устойчивость, причём образец D, полученный в среде, не содержащей кислорода, имеет в составе карбидные фазы: FeC и Fe3C
Таблица. Состав и свойства электроэрозионных порошков
Об- Результаты химического анализа, мас. % Фазовый состав 5уд, м2/г А, мг/г''
разец ^е Ре(11) Fe(III) Fe(0) Фаза Содержание, об. % ОКР, нм'
Fe 16,9 140
А 84,05 46,3 5,8 32,0 FeзO4 66,7 23 50,7 8,1
FeOOH 16,4 13
Fe 42 120
В 78,8 18,35 5,47 55,0 FeзO4 41,2 14 38,5 16,9
FeOOH 16,5 14
Fe 29,3 60
С 93,9 16,26 8,14 69,5 FeзO4 58,1 16 19,5 20,72
FeOOH 12,6 10
Fe 33 60
й 71,73 7,8 6,93 57,0 FeC 9,6 20 55,2 25,0
FeзC 54,3 9
' Область когерентного рассевания.
'' Эффективная сорбция при исходной концентрации ДР 25,7мг/л.
2.2. Процесс адсорбции доксорубицина
Для полученных порошков была изучена эффективность сорбции доксорубицина (таблица). Наибольшая сорбционная емкость, как видно из таблице, характерна для порошков, полученных в гексане. Согласно полученным результатам, а также данным, приведенным в работе [9], наиболее перспективным с точки зрения медико-биологических свойств наибольший интерес представляет система, полученная в гексане. В связи с этим, в настоящей работе все исследования проводили на образце D.
Для образца D была получена изотерма сорбции. Для этого брались одинаковые навески сорбента (50 мг) и разные начальные концентрации доксорубицина, полученная изотерма приведена на рис. 2. Как видно из полученных результатов, доко-
сорубицин сорбируется по изотерме ленгмюров-ского типа, максимальная сорбционная емкость составила 44 мг/г, а константа Генри - 1,43 л/г.
А, мг/г С/А
0
■0
0
10
20
30
40
С мг/л
Рис. 2. Изотерма адсорбции доксорубицина на образце D
Так как ^уд=55 м2/г, молярная масса ДР -543 г/моль, то концентрация ДР на носителе составит 8,2.1018 молекул/м2. Это приближённо соответствует монослойному покрытию поверхности.
Для установления типа взаимодействия ДР с образцом D были записаны ИК спектры, примеры которых показаны на рис. 3. Из спектров видно, что первоначальные спектр ДР при адсорбции на носителе не сохраняются, что можно объяснить прочной хемосорбцией и глубокой химической трансформацией молекул ДР.
80'
40' 20' 0 100' 8060 40
0 100
6040
I-
2900
3900 V, см
Рис. 3. ИК-спектры диффузного отражения Н для образцов: а) доксорубицин; б) D; в) D с адсорбированным док-сорубицином
Для подтверждения этого были проведены эксперименты по исследованию продуктов десорбции методом УФ-спектроскопии. Для этого бралась навеска порошка D, полученного в гексане, с адсорбированным доксорубицином. Десорбция проводилась как в фосфатном буфере, так и физиологическом растворе №С1 при 37 °С. Спектры погло-
40
30
20
н. %
100
20
80
20
щения исходного раствора доксорубицина имеют полосы поглощения 234; 253; 288; 495 нм. В раствор после десорбции выделялись вещества, которые давали лишь одну, совпадающую с исходной полосу 255 нм (рис. 4). Это также свидетельствует о химическом трансформировании молекул ДР.
Таким образом, обнаруженное в [10] цитолити-ческое действие комбинированного препарата -частицы D+ДР - связано с химическим трансформированием ДР.
D
Рис. 4. УФ-спектр поглощения растворов: 1) доксорубицина, 2) десорбированной фазы
2.3. Исследование растворимости магнитного носителя
(образец D)
Для решения задач, связанных с выведением порошков железа из организма, необходимо, прежде всего, иметь четкое представление о биотрансформации порошка железа, которая может играть также важную роль при десорбции лекарственных препаратов в организме человека.
Эксперимент проводили, выдерживая порошки железа в модельных растворах при температуре 37 °С в течение 4 сут. Длительность эксперимента ограничена, т. к. плазма крови после размораживания через 7 сут., как известно из литературных данных, разлагается. Из литературных данных также известно, что железо в виде химических соединений выводится из организма в течение 7...45 сут.
Согласно полученным результатам, образец практически не взаимодействует с фосфатным буфером и 0,9 % растворе NaCl (растворимость не превышала 0,1 %). Для аминоплазмаля Е и плазмы человеческой крови растворимость составила 15 и 40 % соответственно. При этом изменялся цвет плазмы - от светло-желтого до интенсивно коричневого, а плазмаль до светло-желтого. Высокая растворимость в обоих случаях можно связать с образованием комплексных соединений между железом и аминокислотами или аминокислотными радикалами в составе белка. Комплексообразование в случае белка, вероятно, усиливается за счёт хелат-ного эффекта.
Была также изучена скорость растворения порошка в плазме крови (рис. 5). Видно, что кривая растворения может быть разбита на 2 участка: первый - с высокой, но уменьшающейся скоростью, и второй - с постоянной скоростью. Возможно, первый участок относится к растворению поверхностных карбидов и оксидов, а второй - металлического ядра частицы.
а,%
Время растворения, ч
Рис. 5. Изменение степени растворения а нанопорошка в плазме человеческой крови от времени
При экстраполяции второго участка может быть предсказано время полного растворения -оно составляет около 10 сут., что приемлемо для медикаментозного применения подобных препаратов [7, 8].
Выводы
1. Методом импульсной электроэрозии железа в водных растворах и гексане приготовлены железосодержащие нанопорошки, определен их состав, магнитные свойства и способность к адсорбции доксорубицина. Показано, что все порошки содержат нанофазу железа и фазы, включающие элементы среды: в водных растворах - оксиды и гидроксиды железа, карбонат- и фосфат-ионы; в гексане - карбиды железа ^еС, Fe3C).
2. Показано, что композиционный ферромагнитный нанопорошок, приготовленый в гексане, прочно хемосорбирует докосрубицин по ленг-мюровскому мономолекулярному механизму.
3. Установлено, что десорбция докосорубицина с нанопорошка сопровождается полной химической трансформацией доксорубицина.
4. Экспериментально определено, что синтезированные порошки подвергается достаточно быстрому растворению в модельных биожидкостях - растворе аминокислот и плазме крови. Полное время растворения нанопорошка - 10 сут.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ремпель А.А. Нанотехнологии, свойства и применение нано-структурных материалов // Успехи химии. - 2007. - Т. 75. -№ 5. - С. 474-500.
2. Медведева Н.В., Ипатова О.М., Иванов Ю.Д., Дрожжин А.И., Арчаков А.И. Нанобиология и наномедицина // Биомедицинская химия. - 2006. - Т. 52. - № 6. - С. 529-546.
3. Duran J.D.G., Arias J.L., Gallardo V., Delgado A.V. Magnetic Colloids as Drug Vehicles // Journal of Pharmaceutical Sciences. -2008. - V. 97. - № 8. - P. 2948-2983.
4. Lu J., Liong M., Zink J.I., Tamanoi F. Mesoporous Silica Nanopar-ticles as a Delivery System for Hydrophobic Anticancer Drugs // Small. - 2007. - V. 3. - № 8. - P. 1341-1346.
5. Alexiou C., Arnold W., Hulin P., Klein R., Schmidt A., Bergemann C., Parak F.G. Therapeutic Efficacy of Ferrofluid Bound Anticancer Agent // Magnetohydrodynamics. - 2008. - № 37. - P. 318-322.
6. Беликов В.Г., Курегян А.Г. Получение продуктов взаимодействия магнетита с лекарственными веществами // Химико-фармацевтический журнал. - 2004. - Т. 38. - № 3. - С. 35-38.
7. Arruebo M., Galan M., Navascues N., Tellez C., Marquina C., Ricardo I.M., Santamaria J. Development of magnetic nanostuctured silica-based materials as potential vectors for drug-delivery application // Chemical Materials. - 2006. - V. 18. - P. 1911-1919.
8. Бошицкая Н.В., Иващенко Е.А., Уварова И.В., Проценко Л.С., Будилина О.В. Взаимодействие железных порошков различ-
ной дисперсности с плазмой крови // Доповщ Нацiональноi академи наук Украши. - 2007. - № 6. - C. 88-93.
9. Галанов А.И., Юрмазова Т.А., Савельев Г.Г. и др. Разработка магнитоуправляемой системы для доставки химиопрепаратов на основе наноразмерных частиц железа // Сибирский онкологический журнал. - 2008. - № 3 (27). - C. 50-57.
10. Даниленко Н.Б., Савельев Г.Г., Яворовский Н.А, Юрмазова Т.А., Галанов А.И., Балухтин П.В. Изучение состава и кинетики образования продуктов эрозии металлической загрузки электроразрядного реактора // Журнал прикладной химии. -2005. - Т. 75. - № 9. - С. 1463-1468.
11. Даниленко Н.Б., Галанов А.И., Корнев Я.И. и др. Применение импульсных электрических разрядов в водных растворах для получения наноматералов и их использование для очистки воды // Нанотехника. - 2006. - № 4 (8). - С. 81-91.
12. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. - М.: Химия, 1974. - 354 с.
13. Descoeudres А., Hollenstein C., Walder G., Perez R. Time-resolved imaging and spatially-resolved spectroscopy of electrical discharge machining plasma // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2005. - V. 38. -№ 22. - Р. 4066-4073.
Поступила 13.02.2009 г.
УДК 66.067.1
ЦВЕТНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА
Л.В. Сериков, Л.Н. Шиян, Е.А. Тропина, П.А. Хряпов*
Томский политехнический университет *ГОУ ВПО ТПУ ОСП НИИ высоких напряжений E-mail: [email protected]
Приведены экспериментальные результаты по определению цветности подземных вод Западно-Сибирского региона, отобранных с глубины 80...200 м. Показаны проблемы, возникающие при использовании методик определения цветности, рекомендованных ГОСТ Р 52769-2007, введение которого планируется с 01.01.2009 г. Эти проблемы связаны с особенностями химического состава подземных вод и обусловлены образованием устойчивых коллоидных частиц, состоящих из Fe(OH)3 и растворенных органических веществ гумусового происхождения. Установлено, что цветность подземных вод, в основном, определяется присутствием этих частиц и характеризуется, как «кажущаяся» цветность воды.
Ключевые слова:
Природные воды, коллоидные растворы и их устойчивость, железо-органические примеси, цветность воды, константы скорости.
Органолептические показатели - цветность, запах и вкус являются определяющими при оценке качества воды потребителем. Цветность воды, определяемая потребителем визуально, является индикатором оценки пригодности использования воды в питьевых целях. Цветность относится к физико-химическим показателям свойств природной и питьевой воды и характеризует количество, содержащихся в ней окрашенных растворенных веществ. Измерение цветности природных вод необходимо для правильного выбора технологии водоподготовки. Согласно литературным данным [1, 2] цветность природной воды обусловлена при-
сутствием, главным образом, гуминовых и фульво-кислот, связанных с гумусом почвы. В работах [3, 4] отмечается, что на цветность воды влияет присутствие соединений железа и других металлов в виде естественных примесей.
В международном стандарте ИСО (International Organization for Standardization) для описания окраски воды используют термин «цвет». Цвет, получаемый в присутствии нерастворенного взвешенного вещества, характеризуется как «кажущийся цвет». Для аналитических целей представляет интерес «истинный цвет пробы». Он характеризуется как цвет, обусловленный растворенными веществами [5].
