CC BY
12
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ УДК 515.15
ПРОБЛЕМЫ ГОМО-ГЕТЕРОГЕННОЙ КОНКУРЕНТНОЙ КИНЕТИКИ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ НА ПРИМЕРЕ ЛИПИДНЫХ МЕМБРАН
Л.Т.Бугаенко, В.И.Трофимов*, В.М.Бяков**
( лаборатория радиационной химии )
Рассмотрены кинетические задачи, возникающие при радиолизе разбавленных водных растворов бислойных везикул, на примере лецитиновых липосом. Приведены в однорадикальном приближении уравнения для расчета потока радикалов через мембрану. Показано, что активные радикалы (ОН, Н) практически полностью захватываются мембраной, тогда как неактивные (HOj) практически полностью могут проникать во внутривезикулярный объем.
В практике и научных исследованиях очень широко используются разнообразные дисперсные системы, находящиеся под различными энергетическими воздействиями (ионизирующие излучения, свет, лазерное излучение, ультразвук, электрические поля и т.д.). К таким системам относятся каталитические и флотационные среды, космозоль и антропогенные золи, системы, имеющие место при механическом дроблении, лекарственные препараты и многие другие. В дисперсных системах при энергетическом воздействии образуется, как правило, несколько типов активных частиц с разной реакционной способностью. Реакции, в которых участвуют эти частицы, протекают как в объеме растворителя (газа или самой дисперсной фазы), так и на поверхности дисперсных частиц. Поэтому кинетическая схема, описывающая эти процессы, включает гомогенные и гетерогенные реакции, конкурирующие между собой, что в значительной степени и определяет изменение свойств системы после воздействия. Пока что механизмы такой конкурентной кинетики проработаны слабо, хотя знание их необходимо для управления процессом.
В данной работе мы попытались провести предварительную априорную оценку возможного соотношения гомогенных и гетерогенных реакций для случая радиационной стерилизации инкапсулированных лекарственных препаратов. В последние годы в практической медицине уже начала находить применение идея использования лекарственных препаратов, в которых фармакологическое активное соединение защищено оболочкой из физиологически более нейтрального вещества [1, 2]. Во-первых, в такой "рубашке" лекарство доставляется более избирательно в нужный для лечения орган (при правильном подборе пары "защита - активное вещество"), что существенно увеличивает эффективность его действия. Во-вторых, лекарство меньше подвержено биохимической деструкции в процессе доставки в целевой орган. Размеры таких капсул лежат обычно в диапазоне от сотни до тысячи нанометров и под-
бираются такими, чтобы капсулы могли попасть в самые тонкие кровеносные сосуды организма и, с другой стороиы; содержали бы достаточно большое количество лекарствен ного вещества. Лекарственные соединения в такой капсуле могут быть самыми разнообразными по своей природе и назначению (антибиотики, белки, витамины, сульфамидные препараты, нуклеиновые кислоты и т.д.).
Одним из наиболее широко используемых материалов для создания оболочек капсул (мембран) являются фосфо-липиды. Дисперсные системы на этой основе получили название липосом. Технология получения липосомальных форм ряда лекарственных препаратов в настоящее время достаточно хорошо разработана, но во всей цепи технологических процессов есть по крайней мере один этап, еще не нашедший удовлетворительного технического решения, - этап стерилизации, необходимый потому, что липиды являются хорошей питательной средой для развития многих видов микроорганизмов. Термическая стерилизация отпадает, ибо она разрушает липосомы. Любая "холодная" стерилизация при комнатной температуре сопряжена с использованием энергетических воздействий. Сейчас наиболее распространена радиационная стерилизация. К сожалению, образующиеся при облучении активные частицы не только инактивируют микроорганизмы в стерилизуемом препарате, но и неизбежно воздействуют также на липидную оболочку мембран и находящееся в капсулах лекарственное вещество. Изучение роли этих процессов необходимо для выбора условий стерилизации, при которых наименее нарушаются свойства лекарственного препарата. Нет сомнений также, что такие данные необходимы и для понимания механизмов процессов модификации биологически активных соединений в живом организме. Чтобы ограничить нашу задачу, мы выбрали для первичной оценки липосомы, изготовленные из яичного лецитина (£-а-лецитин), находящиеся в водной дисперсной фазе (концентрация 0,1 - 10 г/л). В качестве энергетического агента мы выбрали у-излучение.
* Институт биотехнологии.
** Институт теоретической и экспериментальной физики.
Лекарство на данном этапе мы не рассматриваем, но предполагаем, что оно водорастворимое и находится только внутри липосомы (по способу приготовления).
Ионизирующее излучение в водной спеде создает атомы водорода, гидратированные электроны и радикалы гидроксила, а если в системе присутствует кислород, то вместо атомов водорода и гидратированных электронов возникают радикалы пергидроксила (рН 4).
В рассматриваемой системе возникают по крайней мере четыре кинетических задачи (мы не будем учитывать возникновение радикалов в водном объеме внутри везикул, поскольку их вклад мал).
1. Определение доли радикалов, возникших в дисперсной фазе и достигших поверхности липосомы (поток радикалов на мицеллу).
2. Выявление реакций радикалов, протекающих на поверхности мембраны и в ее объеме.
3. Определение доли радикалов, проникших через мембрану во внутреннюю часть везикул ( доля радикалов, прореагировавших с мембраной).
4. Выявление реакций, протекающих внутри везикулы.
Первая и третья задачи являются формально-кинетическими и могут быть рассмотрены априори. Вторая и четвертая требуют экспериментального исследования, которое нами проводится.
Для определения потока радикалов / на одиночную мицеллу воспользуемся уравнением, выведенным для разбавленных коллоидных растворов в рамках однорадикальной модели [ 3 ]. Оно имеет вид
где к5- константа скорости захвата радикалов присутствующим в растворе акцептором; С5 - концентрация акцеп-
Рис. 1. Зависимость доли радикалов, достигших поверхности везикулы, от эффективности акцептора Радиус везикул, см:1,3-5 • 10"6,4 -1 ■ 10"5 , 2, 5 - 1 • Ю-4. Концентрация лецитина, % : 3, 4, 5 - 0,1; 1, 2 - 5 Коэффициент диффузии радикалов 2 • 10"5 см"2 • с"1
тора; к - константа скорости рекомбинации радикалов; Сж
- стационарна? концентрация радикалов, рассчитываемая по уравнению
вР/к
С яг .-• ............
кшСш \( к;СЛ2 ОР 2к 2к ) к
где С - радиационно-химический выход радикалов; Р -мощность дозы; И - коэффициент диффузии радикалов; Я
- радиус мицеллы (уравнение (1) было апробировано на коллоидных растворах неорганических соединений). Мы рассчитали долю радикалов, достигших везикулы при мощности дозы 1016 эВ см-3 с-1 и различном содержании дополнительного акцептора радикалов в растворе (химическую природу акцептора мы не задавали). Предполагалось, что атомы водорода, радикалы гидроксила и пергидроксила взаимодействуют с мембраной везикул и могут проникать через нее, а гидратированный электрон только взаимодействует с поверхностными эфирными связями лецитина, но не может проникать внутрь мембраны. Константы скорости рекомбинации всех перечисленных выше радикалов примерно одинаковы (различаются не более чем в шесть раз [ 4 ]), поэтому мы учитывали единственную реакцию рекомбинации с константой скорости 2 • 1010л • моль"1 • с-1. Предполагалось, что все радикалы, достигшие везикулы, либо реагируют с ней, либо проникают вглубь. Коэффициент диффузии радикалов брали средний по данным работы [5].
Результаты расчета доли радикалов, достигших везикулы для липосомальных растворов различной концентрации, в зависимости от кинетической эффективности дополнительного акцептора представлены на рис. 1. Как видно, при низких значениях к!С1 все радикалы достигают везикул и захватываются ими. Повышение концентрации акцептора приводит к снижению доли радикалов, достигших везикул, причем чем выше концентрация везикул, тем большая концентрация акцептора требуется для снижения доли захваченных радикалов (рис. 1, кривые 1 и 5). При этом радиус везикулы влияет только в области не очень высоких концентраций акцептора (рис. 1, кривые 3 - 5). Кривые такого типа позволяют для различных условий облучения рассчитать долю радикалов, захваченных везикулами.Ради-калы, достигшие поверхности везикул, растворяются в ней и диффундируют через нее, реагируя в то же время с молекулами мембраны. Было получено уравнение, позволяющее оценить прошедший через мембрану поток /2 при известном потоке радикалов из объема раствора на мембрану 11 в предположении плоской, однородной по свойствам мембраны (поскольку толщина мембраны существенно меньше размеров везикулы, это предположение допустимо).
¡1 =_?_ , (2)
/1 (0,5 + Л/ЗЬ) + (0,5 + Я31) • е~2а11
где а - толщина мембраны, Л = 3/)/у - длина рассеяния ра-
дикала на молекулах среды, D - коэффициент диффузии радикала, v - его скорость, L2 = D/ksCs, ks - константа скорости реакции радикала с акцептором, Cs - концентрация акцептора. В качестве акцептора выступает вещество мембраны.
Для того чтобы произвести оценку проходящего через мембрану потока, необходимо знать реакционную способность вещества, ее составляющего, по отношению к радикальным продуктам радиолиза воды. К сожалению, для использованного нами L-a-лецитина известна только константа скорости реакций его взаимодействия с радикалом ОН (¿он = 5 • 108) [ 6 ]. Для получения значений констант скорости реакции с атомами Н и радикалами Н02 можно в первом приближении оценить реакционную способность лецитина по реакционной способности составляющих его химических групп. В состав лецитина входят две сложноэфирные группы, одна простая эфирная группа, углеводородные цепочки (С17Н35 и С17Н33), одна двойная связь и аминогруппа. Используя значения констант скорости реакций родственных соединений (углеводороды, простые и сложные эфиры, амины) [4,7], мы оценили реакционную способность I-a-лецитина. Значения констант скорости представлены в таблице. Коэффициенты диффузии радикалов были оценены по формуле Стокса. В качестве базового значения был использован коэффициент диффузии воды в гексадекане ФнгО = 3,8 • Ю-5 [7]) и сделано предположение, что при комнатной температуре в тонких пленках мембраны (толщина мембраны 4 нм [ 8 ]) лецитин имеет такие же характеристики, как и в расплаве. Найденные значения коэффициентов диффузии приведены в таблице. При выбранных значениях констант скорости реакций и коэффициентов диффузии радикалов отношение ЛУЗD пренебрежимо мало по сравнению <; 0,5 в выражении (2), поэтому
/г//, = 1/(0,5 + 0,5 • e2a/L). (3)
На рис. 2 представлена зависимость прошедшего потока от реакционной способности вещества мембраны при различной ее толщине. Как видно, чем выше реакционная способность мембраны и больше ее толщина, тем меньшая доля радикалов проникает через мембрану во внутренний объем липосомы.
В таблице приведены значения потоков, проходящих через мембрану, для ¿-а-лецитина. Для гидратированного электрона расчет не производили, так как он не может диффундировать через лецитиновую мембрану, а может только взаимодействовать с ее поверхностью. Как следует из таблицы, радикалы гидроксила практически полностью захватываются мембраной, атомы водорода частично проникают через мембрану, а радикалы пергидроксила вследствие своей низкой реакционной способности по отношению к лецитину полностью проникают через мембрану.
Рис. 2. Зависимость доли прошедших через мембрану радикалов от
эффективности материала мембраны в захвате радикалов при толщине мембраны, нм: 1 - 4, 2 - 40, 3 - 400, 4 - 4000
Оценка потока радикалов через мембрану липосомы на основе Ь-а-лецнтина (толщина мембраны 4 нм )
Радикал Константа скорости, л ■ моль"' • с"' Коэффициент диффузии, см2 ■ с"' h/h
Н 3 ■ 108 7.6 • 10"5 0.27
ОН 5 • 108 3.8 • 10"s 0.07
Н02 3 • 103 2.7 • 10"5 0.99
Следовательно, в присутствии кислорода разрушение мембраны можно отнести целиком к воздействию радикалов гидроксила. Для использованного нами в расчетах 0,5%-го раствора лецитина с диаметром липосом 50 нм можно оценить степень разрушения молекул лецитина, принимая, что в дисперсной фазе отсутствует дополнительный акцептор радикалов, т.е. для случая, когда все радиолитические радикалы достигают поверхности везикул. Типичная "стерилизующая доза", принятая почти повсеместно, составляет 25 кГр. Такая доза генерирует в 1 л суспензии 9 • 1021 радикалов, так что на одну липосому приходится (в стенке мембраны находится 9,4 • 104 молекул лецитина) 2,8 105 радикалов, а на одну молекулу лецитина - 3 радикала. В присутствии кислорода гидратированные электроны переходят в радикалы пергидроксила и количество разрушающих радикалов уменьшается вдвое. Но все равно 1,5 радикала на молекулу лецитина слишком большая величина, поэтому необходимо вводить в дисперсную фазу защитный акцептор. Первые единичные данные о радиационных процессах в липосомах, опубликованные в литературе [9, 10], еще не позволяют провести количес-
твенное сравнение сделанных оценок с экспериментом, но в целом не противоречат проведенной оценке. Это дает основание применять изложенный выше подход для предварительной оценки роли радикальных процессов и при других энергетических воздействиях на дисперсии
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
липосом, при которых основное воздействие на липосомы происходит за счет радикалов.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 95-03-09162).
1. The market for liposome drug delivery systems. N.Y., 1992.
2. CouvreurP, VouthrierJ. II Controlled Release. 1991.17. P. 187.
3. Бяков B.M., Бугаенко Jl.Т., Бахтадзе Г.//Химия высоких энергий. 1993. 23. С. 19.
4. Пикаев А.К., Кабакчи С.А. Реакционная способность первичных продуктов радиолиза воды. М, 1982.
5. Бендерский В.А., Кривенко А.Г., Рукин А.Н.П Химия высоких энергий. 1980.14. С.406.
6. Barber D.J.W., Thomas J.K. II Radiat Res. 1978.74. P.51.
7. Bielski В., Cabelli C., ArudyA., Ross A.Iii. Phys. Chem. Ref. Data. 1985. 14. P. 1041.
8. Рид Р., ПраусингДж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л., 1982.
9. Liposome Technology. V.l. N.Y., P. 268.
\0.Каланин П.В., Соболева H.H., Трофимов В.И.//Химико-фарм. ж. 1988. № 4. С. 479.
Поступила в редакцию 11.01.96
