CC BY
10Ветеринарный врач. 2022 . № 4 . С. 16-21 The veterinarian. 2022; (4): 16-21.
Научная статья
УДК 619:615.849:616-001.28
DOI 10.33632/1998-698Х.2021_16_21
Органомодификация и механохимическая активация бентонитов как метод повышения эффективности РБФ-тест-системы
Руслан Рустамович Гайнуллин
Федеральный центр токсикологической радиационной и биологической безопасности, отделение радиобиологии, Казань, Россия, gairuslan10@mail.ru
Автор, ответственный за переписку: Руслан Рустамович Гайнуллин, gairuslan10@mail.ru
Аннотация. Одним из наиболее перспективных, легкодоступных, простых и надежных методов экспресс-диагностики радиационных поражений организма является тест-система АТБД (антительный бентонитовый диагностикум), основанная на постановке реакции бентонитовой флокуляции (РБФ), в которой в качестве основного детектирующего агента - иммуносорбента используются сенсибилизированные специфическими антителами частицы бентонита. Вместе с тем следует отметить, что чувствительность и иммунологическая активность бентонитовых диагностикумов зависит от дисперсности, степени очистки минерального сырья. Целью настоящих исследований стала разработка оптимального метода активации татарстанских бентонитов, используемых в качестве иммуносорбентов при изготовлении бентонитовых диагностикумов.
Ключевые слова: механохимическая активация, органомодифицирующая активация, бентонитовые глины, иммуносорбент, радиотоксины, диагностические средства
Organomodification and mechanochemical activation of bentonites as a method to improve the
efficiency of the RBF test system
Ruslan R. Gainullin
Federal Center for Toxicological Radiation and Biological Safety, department of radiobiology, Kazan, Russia, gairuslan10@mail.ru
Corresponding author: Ruslan Rustamovich Gainullin, gairuslan10@mail.ru
Abstract. One of the most promising, easily accessible, simple and reliable methods for rapid diagnosis of radiation damage to the body is the ATBD test system (antibody bentonite diagnosticum), based on the formulation of the bentonite flocculation reaction (RBF), in which sensitized specific antibody particles of bentonite. At the same time, it should be noted that the sensitivity and immunological activity of bentonite diagnosticums depend on the dispersion and degree of purification of mineral raw materials. The aim of this research was to develop an optimal method for activating Tatarstan bentonites used as immunosorbents in the manufacture of bentonite diagnosticums.
Keywords: mechanochemical activation, organ-modifying activation, bentonite clays, immunosorbent, radiotoxins, diagnostic tools
Введение. Одной из актуальных проблем терапии острой лучевой болезни (ОЛБ) является своевременная и ранняя диагностика радиационного поражения. Известно, что радиационные поражения сопровождаются сложным симптомо-комплексом, включающим патологию различных систем организма: иммунной, нейроэндокринной и гемопоэтической [7]. В связи с этим диагностика радиационных поражений организма основана на совокупности показателей, полученных с использованием трудоемких, сложных, дорогостоящих методов исследований, которые недостаточно информативны, не экспрессны [3]. В соответствии с Европейским протоколом
METROPOL, который составляет основу компьютерной системы контроля радиационных поражений, решающее значение для выбора методов эффективной терапии ОЛБ имеют биологические и клинические маркеры (время появления рвоты, кинетика истощения лимфоцитов и хромосомные абберации), которые проявляются только через 48-72 ч после облучения [12].
Между тем из радиационной иммунологии известно, что ионизирующие излучения могут напрямую взаимодействовать с внутриклеточными мишенями или с другими молекулами с образованием свободных радикалов, которые в свою очередь повреждают мишень (ДНК, м-РНК,
стволовые клетки костного мозга, лимфоциты) [11]. При этом ведущую роль играют радиоин-дуцированные токсические компоненты (первичные и вторичные радиотоксины), запускающие механизм развития процессов лучевого поражения [7].
Следовательно, своевременное обнаружение указанных радиотоксических субстанций в первые часы после облучения, должно лежать в основе разработки высокочувствительных и экспрессных диагностических тест-систем [5].
С учетом перспективности, экспрес-сности, высокой чувствительности и разрешающей способности иммунологических методов сотрудниками отдела радиобиологии ФГБНУ "ФЦТРБ-ВНИВИ" были разработаны иммуно-химические тест-системы: РНГА (реакция непрямой гемагглютинации), реакция иммунофлуо-ресценции и иммуноферментный анализ для индикации радиотоксинов в облученном организме и продуктах животноводства [6], обеспечивающие обнаружение радиотоксинов уже через 24 ч после облучения животных.
Однако, несмотря на достаточно высокую эффективность разработанных диагности-кумов, им присущ ряд недостатков: сложная технология изготовления, использование труднодоступных реактивов и высокая чувствительность к физико-химическим факторам внешней среды иммуносорбентов - эритроцитов, что диктует необходимость их усовершенствования.
Наиболее легкодоступным, простым и надежным методом экспресс-диагностики радиационных поражений организма является разработанная в ФГБНУ "ФЦТРБ-ВНИВИ" новая тест-система - реакция бентонитовой флокуляции (РБФ), в которой в качестве основного детектирующего агента иммуносорбента используются сенсибилизированные специфическими антителами частицы бентонита. Они в отличие
от традиционного иммуносорбента - эритроцитов животных более стабильны и неприхотливы при длительном хранении, а технологический процесс их получения отличается простотой и экспрессностью. Вместе с тем следует отметить, что чувствительность и иммунологическая активность бентонитовых диагности-кумов зависит от дисперсности и степени очистки минерального сырья.
Исходя из вышеизложенного, нами были проведены настоящие исследования, целью которых является разработка оптимального метода активации татарстанских бентонитов, используемых в качестве иммуносорбентов при изготовлении бентонитовых диагностикумов.
Материалы и методы. Материалом для исследований послужили образцы бентонитовых и бентонитоподобных глин Биклянского, Курка-чинского, Нурлатского, Чистопольского, Яма-шинского месторождений Республики Татарстан.
Татарстанские бентониты содержат в основном низкотемпературный монтмориллонит (ММТ) с примесями гидрослюд (15-20 %) и каолинит (30-35 %). Содержание частиц размером менее 0,001 мм колеблется в пределах 35-70 %, из них примерно 20 % составляют коллоидные частицы (меньше 0,001 мм) [9].
С целью повышения дисперсности, адсорбционной активности и коллоидальности образцов бентонита использовали механохими-ческий (измельчение глинистого сырья в присутствии химических реагентов, карбоната натрия, многократное диспергирование и селективное фракционирование) [2], органомодифи-кационный (использование при обработке образцов бентонита аминокислот, полипептидов, альбумина, глобулина) методы [1, 10].
Степень активации образцов бентонита определяли по его коллоидальности, рассчитанной по формуле
К=У*100/15
(1)
где V - объем осадка бентонита в пробирке, мл;
15 - общий объем бентонита и воды в пробирке, мл.
Содержание монтмориллонита определяли посредством рентгенодифракционного анализа с помощью рентгеновского дифракто-метра ULTIMA-IV («Rigaku», Япония), размеры частиц после механохимической и органомо-дификации определяли методом электронной микроскопии. Сорбционные свойства активированных образцов бентонитов изучали путем использования модельной системы бентонит-радиотоксин. При этом определяли остаточное количество радиотоксина в растворе в РНГА -
тест-системе по титру радиотоксина до и после контакта его с бентонитом.
Подготовка образцов и выполнение количественных измерений проводилось в соответствии с ГОСТ 28177-89 [7]. Химические, рентгенодифрактометрические и электронно-микроскопические исследования проводились совместно с сотрудниками Института органической и физической химии РАН РФ.
Результаты исследований. В настоящей работе исследовалось поведение бентонитов
Республики Татарстан (Биклянского, Курка-чинского, Нурлатского, Чистопольского и Яма-шинского месторождений), подвергнутых меха-нохимической и органомодификационной активации.
Для оценки результатов активации определялись такие физико-химические характеристики как коллоидальность (одна из основных характеристик бентонита, отражающая способность минералов формировать и поддерживать коллоидную дисперсию в разрабатываемом диагностическом препарате), количество обменных
катионов кальция и магния в минерале до и после активации, содержание монтмориллонита, и в конечном итоге - влияние указанных параметров активации на сорбционную активность татарстанских бентонитов по отношению к радиотоксинам в системе «бентонит-радиотоксин».
Результаты проведенных исследований по оценке степени активации бентонитов татар-станского происхождения и ее влияние на сорбционную активность активированных бентонитов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Изменение дисперсного, катионного состава и сорбционной активности бентонитов татарстанского происхождения после механохимической и органомодифицирующей активации_
Название метода активации Месторождение бентонита Параметры системы
до активации после активации
ЕКО, мг экв /100 г коллоидальность, % размеры частиц, мкм монтмориллонит, % сорбци-онная активность, % РНГА ЕКО, мг экв /100 г коллоидальность, % размеры частиц, мкм монтмориллонит, % сорбци-онная активность, % РНГА
Механо- химическ ая Биклянс-кий 45,77 45 600 60 13,5 75,19 80 90 77 55,0
Нурлатс-кий 39,31 37 650 49 11,0 63,11 67 109 69 51,1
Курка-чинский 44,95 43 700 51 12,5 74,01 75 155 65 53,7
Чистопольский 41,27 40 750 50 12,0 69,23 70 159 67 57,3
Ямашинс-кий 38,61 36 800 48 11,1 59,05 66 175 60 51,0
Органо- модифика ция Биклянс-кий 44,95 45 600 60 13,5 73,09 80 88 79 51,3
Нурлатс-кий 40,01 37 650 49 11,0 62,17 68 101 71 52,7
Курка-чинский 44,35 43 700 51 12,5 74,18 74 149 69 53,9
Чистопольский 41,32 40 750 50 12,0 70,13 71 155 68 50,7
Ямашинс ки 39,01 36 800 48 11,1 66,1 68 171 65 51,9
Примечания 1 ЕКО - емкость катионного обмена. 2 log2 - содержание радиотоксина в системе «бентонит-радиотоксин».
Из представленных в таблице 1 данных видно, что реакция системы на механохимичес-кую и органомодифицирующую обработку испытуемых бентонитов существенна. При этом в обоих вариантах активации наблюдается существенное (в 1,6 раза, Р<0,05) повышение емкости катионного обмена (ЕКО), что свидетельствует о снижении концентрации обменных катионов Ca2+ и Mg2+ в исходных пробах бентонитов на №+- монтмориллонит (№+- ММТ).
Обогащение бентонитов Ка - монтмо-риллонитовой фракцией при механохимической и органомодифицирующей обработке сопровождается существенным снижением размеров частиц от 600-800 мкм у исходных образцов, от 90 до 175 мкм у активированных вариантов, что
ведет к 5,2-кратному увеличению дисперсности и значительному увеличению (с 40,2 % до 71,9 %) коллоидальности бентонитов.
Повышение дисперсности и коллоидальности бентонитов Татарстана, на фоне их меха-нохимической и органомодифицирующей обработки, сопровождается существенным повышением сорбционной активности бентонитов. Это нами использовано при разработке РБФ-тест-системы с применением иммуносорбента - активированного бентонита, сенсибилизированного специфическими (антирадиотоксическими) антителами и конструировании на их основе противорадиационного антительного бентонитового диагностикума (АТБД).
Результаты параллельных исследований с использованием нового метода активации бентонита - органомодификации с использованием азотсодержащих соединений (натриевые и аммониевые соли, аминоуксусная кислота, желатин, альбумин, глобулин) показали, что моделирование системы на основе бентонита и смеси белка, желатина, альбумина и глобулина приводит к значительному увеличению коллоидальности до 80 % по сравнению с 36 % для исходного образца глины. Полученный результат можно объяснить тем, что азотсодержащий полипептидный комплекс приводит к увеличению дисперсности за счет эксфолиации слоев минерала, диспергирования, пептизации, увеличения доли коллоидных частиц [8]. Замещение неорганических катионов на органические при органо-модификации приводит к резкому повышению монтмориллонитового компонента (более 70 %). Учитывая то, что в органоалюмосиликатных комплексах раскрываются новые еще не выявленные ранее структурно-кристаллохимические характеристики, физико-химические и биологические свойства алюмосиликатов и органических соединений [1]. Этот метод будет использован в трех направлениях: активация низкосортных бентонитов; получение органоалюмосиликатного (глобулин-бентонитового) комплекса в изготовлении противорадиационного антительного бентонитового диагностикума для проведения РБФ-анализа с целью индикации токсических продуктов радиолиза (радиоантигенов, радиотоксинов); изучение радиозащитного бентонит-глобулинового комплекса в качестве модификатора (радиозащитного) острой лучевой болез-
ни.
Заключение. Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что бентониты татарстанского происхождения, будучи низкосортными и малопригодными для использования их в качестве иммуносорбентов при изготовлении на их основе бентонитовых диагностикумов, используемых в РБФ тест-системе для индикации токсических продуктов радиолиза, нуждаются в активации с использованием различных методов. Для этих целей нами испытаны механохимический метод, основанный на измельчении глинистого сырья в присутствии химических реагентов (четвертичные соли аммония), и органомодифицирующий метод (обогащение бентонита биогенным азотом в виде аминокислот, пептидов, белков, желатина, альбумина, глобулина).
С использованием вышеуказанных методов нами получены образцы татарстанских бентонитов со значительным улучшением параметров системы (ЕКО, коллоидальности, сорбци-онной активности, дисперсности и повышением монтмориллонитовой составляющей до 69,0 % против 51,6 % у исходного сырья).
Полученные образцы бентонитов, активированных вышеуказанными методами, будут использованы в качестве потенциальных им-муносорбентов для сенсибилизации их специи-фическими антирадиотоксическими антителами (глобулинами) и конструировании на их основе антительных вариантов бентонитовых диагнос-тикумов для индикации радиотоксических соединений в организме животных и продуктах животноводства.
Список источников
1. Анюхина, А. В. Влияние термической обработки глин на их адсорбцию по красителю метиленовый голубой / А. В. Анюхина, В. В. Середин, А. В. Андрианов, Т. Ю. Хлуденева // Недропользование. - 2021. - Т. 21, № 2. - С. 52-57.
2. Бортников, С. В. Получение органомодифицированного бентонита при взаимодействии с азотсодержащими соединениями / С. В. Бортников, Г. А. Горенкова // Успехи современного естествознания. - 2018. - № 8 - С. 12-17.
3. Гайнуллин, Р. Р. Влияние органоминеральной композиции на развитие радиоиндуцированной аллергии / Р. Р. Гайнуллин, Р. Н. Низамов, Н. М. Василевский, Д. Т. Шарифуллина, З. Р. Камалова // Ветеринарный врач. - 2021. - № 5. - С. 4-9.
4. ГОСТ 28177-89 Глины формовочные бентонитовые. Общие технические условия. - М. : Издательство стандартов, 2007. - 21 с.
5. Конюхов, Г. В. Молекулярно-биологические принципы разработки противорадиационных диагностических и лечебно-профилактических средств / Г. В. Конюхов, Н. Б. Тарасова, Р. Н. Низамов, Н. М. Василевский, Р. М. Асланов, В. И. Великанов // Ветеринарный врач. - 2016. - № 3. - С. 3-8.
6. Курбангалеев, Я. М. Использование радиационных технологий для удлинения сроков хранения продуктов и кормов / Я. М. Курбангалеев, Р. Н. Низамов, Г. В. Конюхов, Н. Б. Тарасова, Р. Р. Гайзатуллин, Р. М. Асланов // Ветеринарный врач. - 2016. - № 3. - С. 9-13.
7. Низамов, Р. Н. Концептуальные основы конструирования иммунотерапевтических средств при многофакторной экопатологии / Р. Н. Низамов, Ж. Р. Насыбуллина, К. Н. Вагин, Р. Р. Гайнуллин. -Казань, 2021. - 301 с.
8. Прядко, А. В. Влияние кислотного и щелочного воздействия на структуру, сорбционные и поверхностные свойства бентонитов / А. В. Прядко, С. В. Закусин, Е.А. Тюпина // Успехи в химии и химической технологии. - 2020. - Т. 24, № 9. - С. 17-19.
9. Сабитов, А. А. Бентониты России / А. А. Сабитов, Е. С. Руселик, Ф. А. Трофимова, А. Н. Тетерина // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2010. - № 5. - С. 8-17.
10. Трофимова, Ф. А. Влияние механоактивационных процессов на изменение коллоидных и реологических свойств бентонитовых глин / Ф. А. Трофимова, Т. З. Ладыгина, А. А. Сабитов, А. М. Губайдуллина, Е. Н. Пермяков, И. В. Шамсемухаметова, А. А. Шинкарев // Материалы Первого Российского семинара по технологической минералогии. - Петрозаводск, 2004. - С. 98-110.
11. Druge, W. Free radical in the physiological control of cell function // Phys. Rev. - 2002. - Vol. 82, № 1. - P. 47-95.
12. Goans, R. E. Clinical care of the radiation-accident patient presentation, assessment and initial diagnosis / R. C. Ricks, М. Е. Berger, F. M. Okasa // The medical basis for radiation assident preparedness: the clinical care of victins. Parphenon Publishing Group; Boca Raton, FL, 2000. - P. 11.
References
1. Anyukhina, A. V. Influence of heat treatment of clays on their adsorption on methylene blue dye / A. V. Anyukhina, V. V. Seredin, A. V. Andrianov, T. Yu. Khludeneva // Subsoil use. - 2021. - Vol. 21, No. 2. -P. 52-57.
2. Bortnikov, S. V. Obtaining organo-modified bentonite when interacting with nitrogen-containing compounds / S. V. Bortnikov, G. A. Gorenkova // Successes of modern natural sciences. - Republic of Khakassia.
- 2018. - No. 8 - P. 12-17.
3. Gainullin, R. R. Influence of organomineral composition on the development of radioinduced allergy / R. R. Gainullin, R. N. Nizamov, N. M. Vasilevsky, D. T. Sharifullina, Z. R. Kamalova // The Veterinarian. -2021. - No. 5. - P. 4-9.
4. GOST 28177-89 Bentonite molding clays. General technical conditions. - M. : Publishing House of Standards, 2007. - 21 p.
5. Konyukhov, G. V. Molecular biological principles for the development of anti-radiation diagnostic and therapeutic agents / G. V. Konyukhov, N. B. Tarasova, R. N. Nizamov, N. M. Vasilevsky, R. M. Aslanov, V I. Velikanov // The Veterinarian. - 2016. - No. 3. - P. 3-8.
6. Kurmangaliev, J. M. The use of radiation technology for extending the shelf life of foods and feeds / J. M. Kurmangaliev, R. N. Nizams, G. V. Konyukhov, N. B. Tarasova, R. R. Gaizatullin, R. M. Aslanov // The Veterinarian. - 2016. - No. 3. - Р. 9-13.
7. Nizamov, R. N., Nasybullina Zh. R., Vagin K. N., Gainullin R. R. Conceptual basis for the design of immunotherapeutic agents in multifactorial ecopathology. - Kazan, 2021. - 301 p.
8. Pryadko, A. V., Zakusin, S. V., Zakusin, E. A. Influence of acidic and alkaline action on the structure, sorption and surface properties of bentonites. Tyupina // Advances in chemistry and chemical technology. - 2020.
- Vol. 24, No. 9. - P. 17-19.
9. Sabitov, A. A. Bentonites of Russia / A. A. Sabitov, E. S. Ruselik, F. A. Trofimova, A. N. Teterina // Mineral Resources of Russia. Economics and management. - 2010. - No. 5. - Р. 8-17.
10. Trofimova, F. A. Influence of mechanical activation processes on the change of colloidal and rheological properties of bentonite clays / F. A. Trofimova, T. Z. Ladygina, A. A. Sabitov, A. M. Gubaidullina E. N. Permyakov, I. V. Shamsemukhametova, A. A. Shinkarev // Materials of the First Russian seminar on Technological Mineralogy. - Petrozavodsk, 2004. - Р. 98-110.
11. Druge, W. Free radical in the physiological control of cell function // Phys. Rev. - 2002. - Vol. 82, No. 1. - P. 47-95.
12. Goans, R. E. Clinical care of the radiation-accident patient presentation, assessment and initial diagnosis / R. C. Ricks, M. E. Berger, F. M Okasa // The medical basis for radiation assident preparedness: the clinical care of victins. Parphenon Publishing Group; Boca Raton, FL: 2000. - P. 11.
Вклад авторов:
Гайнуллин Р. Р. - написание исходного текста; разработка научных программ и их реализация; итоговые выводы.
Contribution of the authors:
Ruslan R. Gainullin - writing the original text; development of scientific programs and their implementation; final conclusions.
Статья поступила в редакцию 24.03.2022; одобрена после рецензирования 11.03.2022; принята к публикации 6.06.2022.
The article was submitted 24.03.2022; approved after reviewing 11.03.2022; accepted for publication 6.06.2022.
© Гайнуллин Р. Р. 2022
