CC BY
17
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10_
УДК 546.72 + 541.131+544.6 Н. Ю. Шматко*
Институт проблем химической физики Российской академии наук, Московской обл., Черноголовка, Россия 142432, Московской обл., Черноголовка, просп. Акад. Семенова, д. 1 * e-mail: natashashmatko@gmail.com
НОВЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИМЕТИКОВ ПРИРОДНЫХ ДОНОРОВ МОНООКСИДА АЗОТА (NO)
Аннотация
Впервые получены однородные водорастворимые композиты поливинилпирролидона, содержащие доноры моноокида азота - катионные динитрозильные комплексы железа, с противоопухолевой и антисептической активностью. Их морфология в твердом состоянии изучена методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии. Методом малоугловой дифракции показано, что в образцах композитов отсутствуют агрегаты размером 10-100 нм, и нитрозильные комплексы железа равномерно распределены в полимерных матрицах. Методом ЭПР определено содержание в композитах катионных динитрозильных комплексов железа, способных к выделению NO. Методами амперометрии установлено, что полимерные композиты разлагаются с образованием NO в течение нескольких секунд после растворения в водном растворе без дополнительной термо- и фото- активации. В работе были определены зависимости количества и максимальных уровней NO от времени во всех синтезированных пленочных образцах при рН 7.0. Показано, что синтезированные полимерные композиты сохраняют NO-донирующую активность исходных фармакологически активных динитрозильных комплексов железа и могут быть использованы в качестве адресных систем доставки соединений этого класса.
Ключевые слова: NO-донорные полимерные пленки, динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ), порошковый малоугловой РСА, амперометрия.
Синтетические нитрозильные комплексы железа с функциональными серосодержащими лигандами, являются миметиками активных центров нитрозильных негемовых белков - одной из форм природных резервуаров N0, обеспечивающих хранение и транспорт N0 в клетках всех живых организмов [1]. Их водорастворимые синтетические аналоги успешно используются в качестве нового поколения лекарственных препаратов, применяемых в N0-терапии социально-значимых заболеваний [2]. Функциональные серосодержащие лиганды, входящие в состав таких синтетических гибридных систем подавляют рост опухолей различного гистогенеза [3], обладают противовоспалительными и антисептическими свойствами [4]. При этом, N0 группа, как второй компонент гибридной молекулы-комплекса, является ключевой сигнальной молекулой, контролирующей процесс развития соответствующей патологии.
Наш подход в создании новых материалов для медицинской практики состоит в том, чтобы внедрить нитрозильные комплексы железа, как физиологически активные вещества, в полимерную матрицу. В качестве водорастворимых полимеров могут быть использованы поливиниловый спирт, поли-Ы-винилпирролидон, поли(мет)акриловая
кислота и другие нетоксичные водорасторимые полимеры.
В этой связи основная цель данной работы -синтез и исследование физико-химических характеристик водорастворимых полимерных композитов поливинилпирролидона с
фармакологически активными катионными динитрозильными комплексами железа:
противоопухолевым агентом -
[C3N2H8SFe(NO)2Cl][Fe(NO)2(C3N2H8S)2]Cl (I); антисептиками - [Ре^С^Ш^ОЧО^аШО (II); [Ре(8С(КН2)2)2(Ш)2^О4Н2О (III) и
[Ре(8С(КН2)2)2(Ш)2]2^е2^2О)з(Ш)4] (IV), как перспективных материалов в NO-терапии онкологических и инфекционных заболеваний.
Синтезированные в работе композиты поливинилпирролидона с водорастворимыми нитрозильными комплексами железа различных структурных типов I-IV были исследованы методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Обнаружено, что все исследованные полимерные пленки представляют собой объекты с гладкой поверхностью без внутренних неоднородностей. Согласно данным рентгеновской дифракции исследуемые комплексы I-IV не формируют в полимерной матрице независимой кристаллической структуры.
Супрамолекулярная организация материалов исследована методом малоуглового рассеяния. Отсутствие максимумов на одномерных дифрактограммах свидетельствует об отсутствии упорядоченных агрегатов с размерами от 10 до 100 нм. Таким образом, можно предположить, что динитрозильные комплексы железа равномерно распределены в полимерной матрице.
Спектры ЭПР пленок с комплексами I-IV приведены на рис. 1. В спектрах видна анизотропия g-фактора. Величина N равна соответственно 0.18, 0.16,
0.016 и 0.12 спинов на комплекс. Точность определения величины N 20%. Малые величины N свидетельствуют о частичном распаде комплексов при приготовлении пленок. Пленки получали через растворение комплексов в метаноле, где комплексы распадаются с выделением N0, что вероятно и объясняет малую величину N. Форма и § - фактор спектров ЭПР оставшихся комплексов характерны
для большинства ранее исследовавшихся нами образцов катионных динитрозильных комплексов железа, в которых слабое обменное взаимодействие между молекулами комплексов не усредняет анизотропию §-фактора, т.е. в пленках молекулы комплексов 1-1У находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга и не образуют наночастицы.
Рис. 1. Спектры ЭПР динитрозильных комплексов железа 1-1У в пленках.
По данным электрохимического анализа при разложении в водно-метанольных растворах пленки, содержащие катионные ДНКЖ 1-1У, выделяют N0 в первые секунды, и кинетические кривые имеют такой же вид, как и в случае растворения в тех же экспериментальных условиях исходных
поликристаллов динитрозильных комплексов железа 1-1У. Для примера на рис. 2 приведены характеристические временные зависимости количества N0 для комплекса I и его композита. При этом и поликристаллы комплекса I, и композит на его основе генерируют практически одинаковое
количество N0 (Табл. 1) в первые 100 секунд эксперимента, а к 500 сек кривые выходят на "плато". Аналогичная картина наблюдается для комплекса II за исключением того факта, что максимальное количество N0 кристаллический комплекс II и его композит (Табл. 1) выделяет быстрее - спустя 50 секунд после растворения. Для полимерных композитов, содержащих комплексы III, IV наблюдается иная картина: N0- генерирующая способность композитов значительно меньше, чем соответствующих поликристаллов (Табл.1).
Рис. 2. Зависимость количества генерируемого N0 от времени при растворении поликристаллов комплекса I (сплошная линия) и полимерного композита на его основе, (пунктирная линия) в водно-метанольном растворе в инертной атмосфере при рН=7, Т=25°С (концентрация комплекса 1,1-10-5).
Таким образом, методами рентгеноструктурного анализа было установлено, что комплексы не формируют кристаллической фазы в матрице поливинилпирролидона. Морфология полимерных композитов характеризуется формированием нерегулярных неоднородностей с размером от 2 до 7 нм. Методом ЭПР было определено, что в полимерных композитах доля ДНКЖ, способных к
процессе приготовления композитов. По данным амперометрического анализа N0-донорной активности водорастворимые композиты,
содержащие 10 вес.% комплексов I и II сохраняют свойства исходных поликристаллических систем и являются наиболее эффективными полимерными материалами для медицинского применения из всех изученных систем.
выделению N0, до 20 %, а около 80 % распадается в Таблица 1. Количество N0, генерируемого комплексами 1-ГУ и пленками на их основе в водно-метанольных растворах
в анаэробных условиях при рН 7,0 и Т=25°С.
Комплекс Концентрация Машинальное количество NO,
комплекса, M нМ
Поликристаллы Композит
I 1,110-5 23,5 24,4
II 2,3 10-5 18,7 15,3
III 1,010-5 24,4 17,4
IV 0,72-10-5 19,9 10,4
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ N 14-03-00272. Автор выражает благодарность к.ф.-м.н. Анохину Д.В. и д.ф.-м.н. Куликову А.В.
Шматко Наталья Юрьевна аспирант, ИПХФ РАН, Черноголовка, Россия.
Литература
1. Butler A. R., Megson I. I. Non-heme iron nitrosyls in biology // Chem. Rev. 2002. Vol. 102. P. 1155.
2. Giliano N. Ya., Konevega L. V., Noskin L. A., Serezhenkov V. A., Poltoraktov A. P., Vanin A. F. Dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands and apoptosis: studies with HeLa cell cultures // Nitric Oxide. 2011. Vol. 24. P. 151.
3. Санина Н. А., Руднева Т. Н., Сулименков И. В., Коновалова Н. П., Сашенкова Т. Е., Алдошин С. М. Противоопухолевая активность нитрозильных комплексов железа - новых доноров оксида азота // Росс. Хим. Жур. 2009. № LIII. С. 164.
4. Vasil'eva S. V., Streltsova D. A., Sanina N. A. Nitrogen oxide is involved in the regulation of the Fe-S cluster assembly in proteins and the formation of biofilms by Escherichia coli cells // Biol. Bull. 2013. № 40. С. 351.
Shmatko Natal'ya Yurievna*
Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow Region, Chernogolovka, Russia * e-mail: natashashmatko@gmail.com
NEW POLYMER MATERIAL BASED ON MIMETICS OF NATURAL NITRIC OXIDE (NO) DONORS
Abstract
Homogeneous water-soluble polyvinylpyrrolidone composites containing nitric oxide donors - cationic dinitrosyl iron complexes with antitumor and antiseptic activity have been obtained in the first time. Their morphology in the solid state was studied by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Small-angle diffraction method demonstrated that in samples lacking aggregates of the composites of 10-100 nm, and iron nitrosyl complexes are uniformly distributed in the polymer matrix. EPR method defined content in composites cationic dinitrosyl iron complexes capable of generating NO. Amperometry methods found that polymer materials decompose to NO within seconds after being dissolved in an aqueous solution without photo- and thermal activation. In this work NO levels of all film samples at pH 7.0 were determined. Polymer composites have properties of the original bulk iron-sulfur nitrosyl complexes and can be used as NO delivery systems for biomedical application.
Key words: NO-donor polymer films, dinitrosyl iron complexes (DNIC), small-angle X-ray powder diffraction, amperometry.
