Об особенностях взаимодействия хитозана с антибиотиком гентамицином в уксусно-кислых растворах Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 541.64:536

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ХИТОЗАНА С АНТИБИОТИКОМ ГЕНТАМИЦИНОМ В УКСУСНО-КИСЛЫХ РАСТВОРАХ

© Е. И. Кулиш1*, А. С. Мурзагильдина1, Р. Х. Мударисова2,

Л. Г. Кузина1, С. В. Колесов2

1 Башкирский государственный университет,

Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Тел./факс: +7 (347) 273 66 08.

E-mail: alenakulish @ rambler. гы 2Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Изучены особенности комплексообразования полимера природного происхождения хито-зана с антибиотиком аминогликозидного ряда - гентамицином. Показано, что взаимодействие хитозана с гентамицином происходит за счет образования водородных связей, прочность и количество которых зависит от концентрации уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя.

Ключевые слова: хитозан, комплексообразование, гентамицин.

Введение

Современные исследователи уделяют большое внимание изучению полимерных лекарственных соединений. Это связано с тем, что фармакологические препараты, связанные с полимерной матрицей, имеют пролонгированный терапевтический эффект и менее выраженную токсичность. В качестве матрицы для иммобилизации лекарственных препаратов перспективным представляется использование природного полисахарида - хитозана, который обладает рядом ценных свойств - низкой токсичностью, во-дорастворимостью и высокой физиологической активностью, способностью к пленкообразованию. В литературе имеются сведения о возможном медицинском применении хитозана, в том числе по получению ранозаживляющих повязок на его основе [1-5]. Однако сведения о комплексообразовании хитозана с лекарственными соединениями практически отсутствуют. Целью данной работы является изучение комплексообразования хитозана с антибиотиком аминогликозидного ряда - гентамицином, активно применяемом при лечении гнойных инфекций кожи и мягких тканей (в т.ч. инфицированных ожогов), раневых инфекций и др. [6].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использован образец хитозана (ХТЗ) производства ЗАО «Биопрогресс» (Россия), полученный щелочным дезацетилированием крабового хитина (степень деацетилирования ~84%), с Мп=80000 и антибиотик - гентамицина сульфат (ГМ), используемый без дополнительной очистки.

ИК-спектры образцов записывали на спектрометре «Shimadzu» в области 700-3600 см-1. УФ-спектры всех образцов снимали в кварцевых кюветах толщиной 1 см относительно воды на спектрофотометре <^ресоМ М-40» в области 220-350 нм. Растворителем служила уксусная кислота с концентрацией - 1, 10, 70 %масс. Спектры 1Н ЯМР регистрировали на приборе «Бгикег АМ-300» (рабочая

частота 300 МГц), растворитель Б2О. Величину рН растворов контролировали с помощью рН-метра АНИОН 4100. Определение степени протонирования ХТЗ в растворе уксусной кислоты проводили для растворов ХТЗ с концентрацией 0.05 %масс, согласно методике, описанной в работе [7].

Продукты взаимодействия получали смешением растворов ГМ и ХТЗ (1 = 25 °С, время реакции 1 ч.) В качестве растворителя для ХТЗ использовали уксусную кислоту различной концентрации (1, 10, 70 %масс.). Концентрация ХТЗ в растворе составляла 2 %масс. Синтезированные соединения очищали двухкратным переосаждением реакционного раствора в изопропиловый спирт (при соотношении объемов реакционной смеси и изопропилового спирта 1:5), с последующей отмывкой выпавшего осадка комплекса изопропиловым спиртом. Далее осадок высушивали в вакууме до постоянной массы. Константу равновесия комплексных соединений определяли, используя метод мольных отношений [8]. Количество ГМ, комплексносвязаного с ХТЗ, определяли по данным элементного анализа. Значение характеристической вязкости ХТЗ [п] в растворах уксусной кислоты определяли по стандартной методике [9].

Обсуждение результатов

Электронный спектр ГМ при его концентрации 10-2 моль/л в 1%-ной уксусной кислоте характеризуются наличием одного максимума поглощения при 286 нм. При добавлении в раствор сравнимого количества ХТЗ (который сам в этой области спектра не поглощает), интенсивность пика поглощения увеличивается, а максимум поглощения сдвигается примерно на 4 нм (рис.). Спектральные изменения свидетельствуют о влиянии, оказываемом ХТЗ на электронную систему ГМ и образовании комплекса.

В ИК спектре продукта реакции по сравнению со спектром ХТЗ появляется полоса поглощения, характерная для лекарственного препарата, 619 см-1, (группа SO42-). Кроме того, наблюдается незначи-

* автор, ответственный за переписку

26

ХИМИЯ

тельное смещение всего спектра в область меньших длин волн. Обращает на себя внимание существенное изменение соотношения между интенсивностью полос, соответствующих гидроксильным и азотсодержащим группам как ХТЗ, так и лекарственного вещества (за стандартную принималась полоса 2900 см-1, соответствующая валентным колебаниям ме-тильных и метиленовых групп) (табл. 1).

210 250 290 Х,нм

Рис. УФ спектры 1 - ХТЗ, 2 - ГМ, 3 - ХТЗ-ГМ.

Анализ изменения соотношения интенсивности позволяет предположить, что основное взаимодействие между молекулами лекарственного вещества и макромолекулами ХТЗ происходит с образованием водородных связей с участием первичной аминогруппы (полоса при 1590 см-1), ацетамидной группы (полоса при 1640 см-1) и гидроксильными группами ХТЗ (полоса при 1458 см-1) с одной стороны, и ГМ с другой. Более того, анализ ИК спектров позволяет сделать вывод о том, что взаимодействие между ХТЗ и ГМ происходит в большей степени при получении продукта реакции в 1% уксусной кислоте, поскольку уменьшение интенсивности полос поглощения в спектрах продукта реакции, полученного из 70%-ной кислоты существенно меньше, нежели полученного из 1% уксусной кислоты.

Прямое определение количества ГМ, комплексносвязанного с хитозановой матрицей, подтверждают данные ИК спектроскопии. Как видно из данных, приведенных в табл. 2, количество ГМ, комплексносвязанного с хитозановой матрицей уменьшается при увеличении концентрации уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя.

О меньшем образовании водородных связей между ХТЗ и ГМ при увеличении кислотности среды косвенно свидетельствует и изменение растворимости продукта взаимодействия. Так, продукт взаимодействия ХТЗ с ГМ, полученный из 70%-ной уксусной кислоты, растворяется в 1.5-2 раза быстрее, нежели комплекс, полученный из 1%-ной уксусной кислоты.

Изменение кислотности среды находит свое отражение и на константе равновесия. Как видно из данных табл. 2, чем меньше концентрация уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя, тем больше константа равновесия.

Рассчитанные из данных по константам равновесия значения молярных энергий связи составили 20 и 14 кДж/моль для комплексов, полученных из 1%-ной и 70%-ной уксусной кислоты. Такие значения находятся на уровне значений, характерных для водородных связей.

Обнаруженное влияние концентрации уксусной кислоты на устойчивость и количество образуемого комплекса ХТЗ-ГМ может быть объяснено с учетом конформационных перестроек в макромо-лекулярном клубке ХТЗ. Как видно из приведенных в табл. 2 данных степень протонирования макромолекул уменьшается при увеличении концентрации уксусной кислоты в растворе вследствие уменьшения степени диссоциации уксусной кислоты. При этом чем больше степень протонирования ХТЗ в растворе, тем более развернутую конформацию должен иметь макромолекулярный клубок, вследствие отталкивания одноименных зарядов. Можно предположить, что именно в том случае, когда реализуется вытянутая форма макромолекулы доступность звеньев ХТЗ для взаимодействия с молекулой антибиотика максимальна.

Дополнительным подтверждением образования комплексов между ХТЗ и ГМ посредством водородных связей являются данные ЯМР-спектроскопии. В ЯМР 1Н спектре комплекса сигналы протонов при вторичной -N4- группе ГМ и ацетильной группе ХТЗ сильно уширяются на 0.3 м.д. и сдвигаются в слабое поле примерно на 0.15 м.д. Остальные сигналы ГМ также перекрываются сильно уширенными сигналами ХТЗ. Сравнение спектров ХТЗ, ГМ и их комплекса показывает, что для комплекса сигналы протонов -СН2- при первичной аминогруппе ГМ накладываются на сигнал ХТЗ и сдвигаются в слабое поле на 0.13 м.д. Эти данные могут свидетельствовать о взаимодействии ХТЗ с ГМ посредством водородной связи по КН2-группе ХТЗ с первичными и вторичными КН2-группами ГМ и возможно по их гидроксильным группам.

Таблица 1

Значение соотношение интенсивностей некоторых полос поглощения из данных ИК спектров

Образец 11640/12900 11590/12900 11458/12900

ХТЗ ГМ

Комплекс ХТЗ-ГМ,

1 %-ной уксусной кислоты

Комплекс ХТЗ-ГМ, полученный 70%-ной уксусной кислоты

полученный из

из

0.57

0.17

0.18

0.51

0.35

0.17

0.23

0.72

0.49

0.32

0.37

Таблица 2

Некоторые характеристики комплексов хитозан-гентамицин

Концентрация CH3COOH в исходном растворе, г/дл Содержание ГМ в комплексе, % масс. Кравновесия, л/моль Степень протонирования ХТЗ, а

1 59.8

10 42.8

70 39.6

Заключение

Таким образом, исследование взаимодействия гентамицина с хитозаном позволяет говорить о комплексообразовании между молекулой полимера и антибиотика за счет образования водородных связей, прочность и количество которых зависит от концентрации уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя. Возможная причина влияния уксусной кислоты на прочность и количество комплекса - конформационные перестройки хито-зана, обусловленные существенно различной степенью протонирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и республики Башкортостан (грант р_поволжье_а № 11-03-97016).

ЛИТЕРАТУРА

1. Марквичева Е. А. // Хитин и хитозан: Получение, свойства

и применение. / Ред. Скрябин К. Г., Вихорева Г. А., Варламов В. П. М.: Наука, 2002. С. 315-326.

4100 0.62

780 0.54

350 0.10

2. Валуев Л. И., Валуева Т. А., Валуев И. Л., Плата Н. А. //

Успехи биологической химии. 2003. Т.43. C. 307-328.

3. Сливкин А. И., Лапенко В. Л., Арзамасцев А. П., Болгов А. А. // Вестник ВГУ. 2005. Серия: Химия. Биология. Фармация. №2. C. 73-87.

4. Вихорева Г. А., Г альбрайх Л. С. // В книге Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение. / Ред. Скрябин К. Г., Вихорева Г. А., Варламов В. П. М.: Наука, 2002. C. 254-279.

5. Muzarelli R. A. A., Tanfani F., Emanuelli M., Gentile S. // J. Appl. Biochem. 1980. V.2. P. 380-389.

6. Машковский М. Д. Лекарственные средства. Харьков: Торсинг 1997. Т.2. С. 278.

7. Rinando M., Pavlov G., Desbrieres J. // Polumer.1999. V.40. P. 7029-7032.

8. Булатов М. И., Калинкин И. П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия, 1986. С. 245-247.

9. Рафиков С. Р., Будтов В. П., Монаков Ю. Б. Введение в физи-кохимию растворов полимеров. М.: Наука, 1978. 328 с.

Поступила в редакцию 14.11.2011 г.