CC BY
104
УДК 544.165
С. Н. Куликов, Р. З. Хайруллин
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНОВОГО ПОЛИКАТИОНА И ИХ БИОЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ
Ключевые слова: хитозан, наночастицы, серебро ,биоцидная активность.
Представлены сведения о разнообразии форм и композиций наночастиц на основе хитозана и их высокой биоцидной активности в отношении различных видов микроорганизмов (грамотрицательные и грамположительные бактерии, микроскопические грибы). Показана возможность создания сложных наноструктурированных комплексов с хитозановой матрицей, включающей наноча^ицы серебра, обладающих высоким биоцидным действием.
Keywords: chitosan, nanoparticles, silver, biocidal activity.
Provides information about a variety offorms and compositions of nanoparticles based on chitosan and high biocidal activity against different species of microorganisms (Gram-negative and Gram-positive bacteria, microscopic fungi). The possibility of creating complex nanostructured systems with chitosan matrix comprising nanoparticles silver with a high biocidal effect.
В последние годы резко возрос интерес к наночастицам самой разнообразной химической природы [1]. Особенность таких частиц состоит в том, что их размер соизмерим с радиусом действия сил межатомного взаимодействия, то есть с расстоянием, на которое должны быть удалены атомы частицы, чтобы их взаимодействие не сказывалось на их свойствах в значительной степени. Поэтому наночастицы взаимодействуют между собой и объектами окружающей среды иначе, нежели макрочастицы, в чём и проявляются особенности их свойств.
Отдельное направление в этой области занимает получение и исследование наночастиц на основе природных углеводных поликатионов. Это связано с тем, что среди подобных соединений только хитозан возможно получать в промышленных количествах с высокой степенью химической чистоты и низкой стоимостью. Хитозан - природный полиаминосахарид, представляющий собой сополимер глюкозамина и ацетилглюкозамина (рис. 1), обладающий рядом ценных свойств (нетоксичность, биосовместимость,
гипоаллергененность, биодеградируемость),
которые востребованы в медицине и биотехнологии, а также дающий возможность создания на его основе многочисленных производных.
_ ОН _
ын
СН3 т Рис. 1 - Структурная формула хитозана
Одними из первых обнаруженных у хитозана свойств стали его антибактериальная и противогрибная активность, что позволяет использовать хитозан и материалы на его основе в медицине, сельском хозяйстве, а также в пищевой и легкой промышленности. Несмотря на то, что
биоцидной активности хитозана посвящено достаточно большое количество экспериментальных работ, механизмы биоцидного действия этого биополимера на клеточном и молекулярном уровнях раскрыты не полностью. Также остаётся до конца невыясненной взаимосвязь между химической структурой хитозанового полимера и его биологическим эффектом на клетки микроорганизмов. Установление подобной взаимосвязи осложняется тем, что хитозан представляет собой гетерогенную группу веществ, различающихся как по молекулярной массе и степени ацетилирования, так и по расположению ацетилированных звеньев вдоль полимерной цепи и их вязкости [2, 3].
Необходимость более глубокого и детального изучения антибактериальных свойств хитозана и производных на его основе, в том числе и наноструктурированных, обусловлена прежде всего появлением резистентных к классическим антибиотикам и антимикотикам штаммов условно-патогенных микроорганизмов. Однако полученные многими исследователями результаты говорят о перспективности данного направления, поскольку хитозан способен не только выступать как единственное вещество при создании наночастиц, но также быть структурирующей матрицей таких систем. Благодаря поликатионным свойствам, в наночастицы на основе хитозана могут быть внедрены противоположные по заряду полисахариды, обладающие тем или иным биологическим эффектом. Высокая реакционная способность свободных аминогрупп позволяет также проводить химическую модификацию хитозанового полимера, в том числе межмолекулярные сшивки. Необходимо отметить, что те же самые аминогруппы могут участвовать во взаимодействии с ионами металлов и их наноагрегатами.
Показано, что наночастицы на основе хитозана проявляют антибактериальную активность в отношении Е.соН, Б.сЬо!егаези1з, БЛурМтипит, Б.аигвив, при этом их активность оказалась более
высокой по сравнению с исходным хитозаном [4, 5]. Под действием наночастиц наблюдалась агрегация бактериальных клеток, изменение морфологии клеточной стенки, нарушение барьерной функции мембран, выход электролитов и лизис клеток [4, 6]. Как и у обычного хитозана антибактериальные свойства наночастиц связаны с аминогруппами, которые взаимодействовали с отрицательно-заряженными компонентами микробных клеток и хелатировали двухвалентные ионы металлов. Взаимодействие наночастиц с клетками кишечной палочки приводит к изменению микроструктуры внешнего монослоя наружной мембраны, что проявляется в изменении конформации мембранных белков. При этом более сильное действие оказывают хитозановые наночастицы, содержащие остатки олеиновой кислоты. В данном случае изменения структуры были отмечены во внутреннем монослое наружной мембраны [4, 6].
Наночастицы на основе хитозана могут проявлять более сильное фунгицидные свойства в отношении дрожжеподобных и мицелиальных представителей грибного царства, чем исходные образцы полимера [5, 7]. Антимикотическое действие таких наночастиц зависит от размера частиц и молекулярной массы используемых для их создания образцов хитозана. Наилучшие результаты по использованию хитозановых наночастиц продемонстрированы в отношении C. albicans и Fusarium solani, ингибирование роста которых вызывали частицы на основе образцов с молекулярной массой и 70 и 310 кДа. Тогда как Aspergillus niger немного лучше, чем при использовании исходного хитозана, подавлялся только наночастицами на основе более высокомолекулярного образца.
Наноструктурирование хитозана не обязательно приводит только к усилению его биоцидных свойств. Имеются данные, свидетельствующие об обратном эффекте, когда наночастицы хитозана и его производных демонстрировали более низкую эффективность в подавлении роста золотистого стафилококка по сравнению с исходными веществами [8].
Интенсивно проводятся исследования биологических свойств наноматериалов, состоящих из комплекса полиэлектролитов с металлами и их солями. Созданы наночастицы хлорида палладия, стабилизированные хитозаном, обладающие повышенными антибактериальными свойствами в отношении S. aureus и E. coli [9]. Наночастицы связываются с поверхностью клеток E. coli и вызывают нарушение целостности внешней мембраны, что влечёт за собой разрушение клеточной стенки, выход цитоплазматического содержимого наружу и гибель клетки [9].
Наночастицы серебра обладают выраженными антибактериальными свойствами, однако наночастицы этого металла обладают нежелательными побочными эффектами, в числе которых гено- и цитотоксичность в отношении клеток человека, что проявляется в виде разрывов ДНК, аберрации хромосом, а в случае повышенной
концентрации приводит клетки к гибели [10]. Поэтому является актуальным создание таких форм наночастиц серебра, которые обладают уменьшенным побочным эффектом в отношении клеток эукариот, но сохраняют высокую активность в отношении прокариот. Одним из таких решений стало создание наночастиц серебра покрытых хитозаном, что позволило сохранить высокие антимикробный свойства такого нанокомплекса в отношении S. aureus, Salmonella typhi, а также Mycobacterium smegmatis [11]. Такие наночастицы обладали низкой гено- и цитотоксичностью в отношении макрофагов человека и при этом вызывали гибель M. smegmatis, находящихся внутри макрофагальных клеток. Наночастицы хитозана с серебром демонстрируют хорошую антибактериальную активность в составе текстильных материалов [12].
Выраженными антибактериальными свойствами в обладают и наночастицы на основе хитозана, содержащие сульфат меди [13]. Для предотвращения превращения сульфата меди в оксид под действием кислорода такие частицы также содержат йод. Такой комплекс подавляет рост культуры E. coli гораздо сильнее, чем составляющие его вещества по отдельности, что свидетельствует о наличии у наноструктур особенностей взаимодействия с живыми клетками. Такие наночастицы эффективно связываются с мембранными структурами грамотрицательных клеток бактерий, в том числе с сульфосодержащими белками внешней мембраны, вызывают в ней многочисленные разрывы, приводящие
бактериальную клетку к гибели (рис. 2). Повышенными антибактериальными свойствами обладали наночастицы, содержащие медь, также в отношении S. choleraesuis, S. typhimurium и S. aureus [4].
-Л. А
¿1
11 ОД! ipOJlili UILlii
хшоткгСи комплекс
Пзанмодейпвне наночастиц с кчегкой
К. cob
Разрыв внешнем мембраны н 1 нбсль клегкн
J
Иоднд
Ианочасгнш Си
Рис. 2 - Предполагаемый механизм антибактериального действия наночастиц на основе хитозана с иодидом и медью [13]
Более сложные нанокомплексы могут включать в себя более чем два действующих компонента, например, коровое золото с наружным слоем хитозана к которому за счёт электростатического взаимодействия присоединены молекулы ампициллина. Благодаря этому достигается более сильное проявление антибактериальных свойств в отношении таких бактерий как S. aureus, E. coli и
Klebsiella mobilis [14].
Таким образом, комбинирование таких свойств хитозана как молекулярная масса, степень деацетилирования, а также степень замещения аминогрупп специфическими лигандами с широким диапазоном размеров частиц является основой для создания прототипов материалов с новыми уникальными свойствами.
Результаты, представленные в настоящей статье, получены в результате выполнения исследований за счёт средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Литература
1. Ильина, А.В. Хитозан - природный полимер для формирования наночастиц/ А.В. Ильина, В.П. Варламов, Ю.А. Ермаков // ДАН, -2008. -№421(2). -С.199-201.
2. Куликов, С.Н. Роль структуры в биологической активности хитозана/ С.Н. Куликов, Ю.А. Тюрин, Д.А. Долбин, Р.З. Хайруллин// Вестник Казанского технологического университета. -2007. -№6. -С.10-14.
3. Хайруллин, Р.З. Зависимость растворимости хитозана от молекулярной массы и значения рН среды/ Р.З. Хайруллин, С.Н. Куликов, В.Е. Тихонов, Е.А. Степанов, С.А. Лопатин, В.П. Варламов// Вестник Казанского технологического университета. -2010. -№7. -С.148-152.
4. Qi, L. Preparation and antibacterial activity of chitosan nanoparticles/ L. Qi, Z. Xu, X. Jiang, C. Hu, X. Zou// Carb. Res. -2004. -V.339. -P.2693-2700.
5. Saita, K. Preparation and characterization of dispersible chitosan particles with borate crosslinking and their antimicrobial and antifungal activity / K. Saita, S. Nagaoka, T. Shirosaki, M. Horikawa, S. Matsuda, H. Ihara// Carbohydr. Res. -2012. -V.349. -P.52-58.
6. Kong, M. Antibacterial mechanism of chitosan microspheres in a solid dispersing system against E. coli / M. Kong, X.G. Chen, C.S. Liu, C.G. Liu, X.H. Meng, L.J.
Yu// Colloids Surface B: Biointerfaces, -2008. -V.65. -P.197-202.
7. Ing, L.Y. Antifungal activity of chitosan nanoparticles and correlation with their physical properties / L.Y. Ing, N.M. Zin, A. Sarwar, H. Katas// Int. J. Biomater.-2012. DOI: 10.1155/2012/632698.
8. Sadeghi, A.M. Preparation, characterization and antibacterial activities of chitosan, N-trimethyl chitosan (TMC) and N-diethylmethyl chitosan (DEMC) nanoparticles loaded with insulin using both the ionotropic gelation and polyelectrolyte complexation methods / A.M. Sadeghi, F.A. Dorkoosh, M.R. Avadi, P. Saadat, M. Rafiee-Tehrani, H.E.// Junginger Int. J. Pharm.-2008. -V.355. -№1-2. -P.299-306.
9. Amarnath, K. Synthesis and characterization of chitosan and grape polyphenols stabilized palladium nanoparticles and their antibacterial activity / K. Amarnath, J. Kumar, T. Reddy, V. Mahesh, S.R. Ayyappan// J.Nellore Colloids Surf B Biointerfaces. -2012. -V.92. -P.254-261.
10.Papageorgiou, I. The effect of nano- and micron-sized particles of cobalt-chromium alloy on human fibroblasts in vitro / I. Papageorgiou, C. Brown, R. Schins, S. Singh, R. Newson, S. Davis, J. Fisher, E. Ingham// C.P. Case Biomaterials. -2007. -V.28. -№19. -P.2946-2958.
11. Jena, P. Toxicity and antibacterial assessment of chitosancoated silver nanoparticles on human pathogens and macrophage cells / P. Jena, S. Mohanty, R. Mallick, B. Jacob// A. Sonawane Int. J. Nanomedicine. -2012. -V.7. -P.1805-1818.
12. Abdel-Mohsen, A.M. Antibacterial cotton fabrics treated with core-shell nanoparticles/ A.M. Abdel-Mohsen, R.M. Abdel-Rahman, R. Hrdina, A. Imramovsky, L. Burgert, A.S. Aly// Int. J. Biol. Macromol. -2012. -V.50. -№5. -P.1245-1253.
13. Mallick, S. Iodine-stabilized Cu nanoparticle chitosan composite for antibacterial applications / S. Mallick, S. Sharma, M. Banerjee, S.S. Ghosh, A. Chattopadhyay, A. Paul //ACS Appl. Mater. Interfaces. -2012. -V.4. -№3. -P.1313-1323.
14. Chamundeeswari, M. Preparation, characterization and evaluation of a biopolymeric gold nanocomposite with antimicrobial activity/ M. Chamundeeswari, S.S. Sobhana, J.P. Jacob, M.G. Kumar, M.P. Devi, T.P. Sastry, A.B. Mandal // Biotechnol. Appl. Biochem. -2010.
© С. Н. Куликов - к.б.н, в.н.с. лаб. иммунологии и разработки аллергенов Казанского научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии Роспотребнадзора; доц. кафедры технологии пищевых производств КНИТУ; с.н.с. кафедры микробиологии Казанского федерального университета; kuliks@yandex.ru; Р. З. Хайруллин - к.б.н., доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ, с.н.с. лаб. иммунологии и разработки аллергенов Казанского научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии Роспотребнадзора, khayrullinrz@gmail.com.
© S. N. Kulikov - Ph.D., Leading researcher, Kazan Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology at Rospotrebnadzor; associate professor, Department of Technology of Food Production KNRTU; scientific researcher of Department of Microbiology Kazan Federal University; kuliks@yandex.ru; R. Z. Khayrullin - Ph.D., associate professor of the Department of Industrial Safety, KNRTU; Senior Researcher, Kazan Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology at Rospotrebnadzor, khayrullinrz@gmail.com.
