CC BY
29
УДК 548.736.1:546.26-126:541.183:532.64
ВЛИЯНИЕ ЛИПОФИЛЬНОСТИ ПРОИЗВОДНЫХ ФУЛЛЕРЕНА С60 НА ИХ СПОСОБНОСТЬ ИНГИБИРОВАТЬ ПЕРОКСИДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Ю.Г. Богданова, А.А. Тепанов, В.А. Иоутси1, В.С. Романова2, Г.Н. Богданов3, Р.А. Котельникова3, Д.В. Мищенко3, А.Ю. Рыбкин3, А.И. Котельников3
(кафедра коллоидной химии; e-mail: [email protected])
Методом динамического светорассеяния исследованы водные растворы производных фул-лерена С60 и методом хемилюминесценции изучено их влияние на процесс пероксидного окисления липидов (ПОЛ) в водной среде. Показано, что коллоидная растворимость в воде, которая определяет антиоксидантную активность производных фуллерена С60 в процессе ПОЛ, контролируется химическим строением адденда, присоединенного к С60. Для изученных производных установлена прямая зависимость эффективности ингибирования ПОЛ от липофильности.
Ключевые слова: производные фуллерена С60, хемилюминесценция, антиоксидантная активность.
В настоящее время активно развиваются исследования в направлениях поиска путей синтеза водорастворимых производных фуллерена С60 (ВПФ) и изучения их влияния на биообъекты в целях создания на основе ВПФ препаратов для медицины и фармакологии. Известно, что при разных патологиях интенсифицируются процессы пероксидного окисления липидов (ПОЛ), которые можно рассматривать как частный случай цепного окисления органических соединений молекулярным кислородом [1]. В то же время свободнорадикальный механизм ПОЛ и его торможение биоантиоксидантами играют важную роль в регуляции процессов пролиферации клеток, размножения бактерий и некоторых вирусов, а также в резистентности живых систем к окислительному стрессу [2]. Именно поэтому в современной фармакологии антиоксиданты составляют самостоятельный разряд, содержащий несколько классов и групп лекарственных препаратов [3]. Высокая антиокси-дантная активность в сочетании со способностью водорастворимых производных фуллерена С60 проявлять нейропротекторное действие при различных деменциях, а также предупреждать гибель нейронов, предотвращая нарушение долговременной памяти и оказывая выраженное стимулирующее действие на центральные дофаминовые рецепторы [4], делает их весьма перспективными объектами для разработки лекарственных средств целевого назначения.
В ряду известных синтетических подходов к созданию ВПФ можно выделить два стратегических направления: присоединение к С60 фрагментов, способных оказывать терапевтических эффект, и введение гидрофильных аддендов с целью повышения растворимости в воде производных С60 для эффективного включения их в клеточный метаболизм. При планировании направленного синтеза ВПФ необходима информация о коллоидно-химических свойствах новых и уже известных объектов, которой в научной литературе крайне мало. В частности, в большинстве работ не уточняется, являются растворы ВПФ молекулярными или коллоидными [5]. Открытым остается вопрос о том, до каких пределов целесообразно увеличивать растворимость производных С60 в воде для того, чтобы обеспечить оптимальное фармакокинети-ческое поведение, в частности проницаемость через липидный бислой клеточных и цитоплазматических мембран, и включаться в клеточный метаболизм.
Цель данной работы - выявить взаимосвязь растворимости ВПФ в воде и их антиоксидантной активности в процессе пероксидного окисления липидов в водной среде.
При исследовании фармакокинетики лекарственных средств важную роль играет гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) - характеристика дифиль-ных соединений, отражающая сродство вещества к полярным и неполярным фазам [6, 7]. Как правило,
'РНИМУ им. Н.И.Пирогова, 117997, г. Москва, ул. Островитянова, д. 1; 2 ИНЭОС им. А.Н. Несмеянова РАН, 119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Вавилова, д. 28; 3ИПХФ РАН, 142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т Академика Семенова, д. 1
242
Рис. 1. Структурные формулы АПФ: а - метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-Ь-валил-Ь-валина; б - метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-глицил-Ь-валина; в - метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-Ь-валил-Ь-валил-Ь-валина; г - структурная формула натриевой соли К,К-диметил-3,4-фуллеро пирролидиний-2,5-дикарбоновой кислоты (FPsh-29)
ГЛБ используют для выбора поверхностно-активных веществ (ПАВ) в качестве стабилизаторов прямых или обратных эмульсий, однако его роль для веществ, проявляющих различные виды биологической активности, трудно переоценить. Для расчета ГЛБ существует ряд методов [6], но в рамках данной работы его определение оказалось невозможным как из-за малых количеств синтетических образцов, так и по причине отсутствия данных о групповом числе фуллерена С60. Поэтому в качестве альтернативного параметра, отражающего сродство ВПФ к воде, использовали условную величину растворимости - концентрацию, соответствующую размеру частиц ВПФ в растворе, близкому к характеристическому размеру молекулы. Объектами исследования служили аминокислотные производные Сбо (АПФ):
метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-Ь-валил-Ь-валина (рис. 1, а),
метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-глицил-Ь-валина (рис. 1, б),
метиловый эфир К-[(К-малеимидил)фуллеренил]-Ь-валил-Ь-валил-Ь-валина (рис. 1, в).
Далее для этих веществ будут использованы сокращения ЪЫУй!, GlyVal и ValValVal соответственно. Также была исследована натриевая соль К,К-диметил-3,4-фуллеропирролидиний-2,5-дикарбоновой кислоты (^Р?Л-29, рис. 1, г)
Все синтетические образцы представляют собой концентрированные водные дисперсии с известной концентрацией ВПФ, определенной по массе не испаряемого остатка аликвот известного объема (табл. 1); точность определения массы и объема 1 мг и 10 мкл соответственно.
Для оценки молекулярной растворимости ВПФ методом динамического светорассеяния определяли размеры частиц ВПФ в водных растворах с разной
концентрацией (табл. 1), которые готовили разбавлением аликвот исходных синтетических образцов дистиллированной водой, обеспыленной фильтрованием через мембранные фильтры «Millipore» с диаметром пор 0,45 мкм. Измерения* проводили на приборе «Zeta Trac» (США) при 20оС.
Антиоксидантную активность ВПФ исследовали методом хемилюминесценции (ХЛ) при окислении го-могената головного мозга крыс (ГГМ), инициированного трет-бутил-гидропероксидом (ГПТБ). В качестве ХЛ-зонда использовали люминол [8]. Системы для жид-кофазного окисления (табл. 2) получали следующим образом. Раствор люминола ( С = 5* 10 М) готовили разбавлением бидистиллированной водой исходного раствора люминола («Sigma Aldrich», «ч.д.а.») в этаноле («Sigma Aldrich», «ч.д.а.»). Концентрация приготовленного по весу исходного раствора люминола _ 2
(С0) составляла 10 М. Раствор ГПТБ получали 10-кратным разбавлением исходного раствора («Sigma Aldrich», «ч.д.а.») бидистиллятом. Исходный раствор буфера Трис-HCl (0,5 М) разбавляли бидистиллятом до концентрации 0,1 М. Гомогенат готовили в гомогенизаторе Поттера из ткани головного мозга крыс (на 1 г ткани мозга брали 8 мл буфера). Дисперсию ГГМ разбавляли бидистиллятом до концентрации белка
Т а б л и ц а 1 Концентрация ВПФ в исходных дисперсиях
Соединение С, М
ValVal 4,2х10-4
GlyVal 3х10-4
ValValVal 5,2х10-5
FPsh-29 2,2х10-4
Диапазон измеряемых размеров r = (0,6-6500) нм, где r - радиус частицы.
1 мг/мл. Концентрацию белка определяли по методу Лоури [9]. Регистрацию интенсивности свечения люминола проводили при 33°С на хемилюминометре <^иттоте1г-1250 LKB Wallak».
Расчет интегральной интенсивности свечения люминола проводили по 512 точкам кинетической зависимости I = А^) интенсивности свечения люминола от времени реакции жидкофазного окисления ГГМ в присутствии ВПФ. Антиоксидантную активность ВПФ сопоставляли, сравнивая эффективность тушения свечения люминола Ее,, которую рассчитывали по уравнению
Ее = (1к " 1)И,
где 1к и I- интегральная интенсивность свечения (све-тосумма) люминола в отсутствие и в присутствии ингибитора соответственно.
Степень ПОЛ в субклеточном ГГМ определяли по содержанию в образцах малонового диальдеги-да (МДА) - продукта окисления полиненасыщенных жирных кислот [10], способного реагировать с 2-тиобарбитуровой кислотой с образованием окрашенного триметинового комплекса с характерным пиком поглощения при 532 нм по схеме:
он он он
Содержание МДА определяли по следующей методике. В центрифужные пробирки помещали 2,5 мл дисперсии субклеточного ГГМ в К-Ыа-фосфатном буферном растворе (рН 7,4) и 1 мл 17%-го раствора трихлоруксусной кислоты. Смесь центрифугировали 10 мин при 3000g на центрифуге К-23 и декантацией отделяли жидкую фракцию (супернатант), 2 мл су-пернатанта переносили в аналитические пробирки. В пробы добавляли по 1 мл 0,8%-го раствора тиобар-
Т а б л и ц а 2
битуровой кислоты. Пробирки с образцами помещали на 30 мин на водяную баню при 1000°С. После термостатирования пробы охлаждали до комнатной температуры и регистрировали оптическую плотность растворов при длине волны 532 нм. В качестве контроля использовали К-Ыа-фосфатный буфер. Концентрацию МДА в пробе определяли спектрофо-тометрически по изменению оптической плотности В532 при молярном коэффициенте экстинкции ком-
532 5 -1 -1
плекса в = 1,56^10 М см [10] и пересчитывали количество МДА в единицах [К] = мкмоль/гткани. Точность определения [К] составляла ~5%.
Сопоставление средних радиусов частиц, определенных методом динамического светорассеяния, с характеристическими размерами молекул ВПФ, полученными путем квантово-химических расчетов молекул в газовой фазе методом АМ1 (табл. 3), показывает, что все исследованные растворы АПФ являются коллоидными (рис. 2), что согласуется с полученными ранее данными [11].
Средний размер частиц дисперсной фазы увеличивается при увеличении концентрации АПФ и увеличении молекулярной массы дипептидного ад-денда. При разбавлении растворов наблюдается сужение пика распределения частиц по размерам, что свидетельствует об уменьшении полидисперсности растворов при снижении концентрации АПФ в водном растворе. С использованием уравнений кривых, аппроксимирующих зависимости г = А(С) (рис.
Т а б л и ц а 3
Характеристические размеры молекул ВПФ, рассчитанные методом АМ 1; В - диаметр
ВПФ ValValVal ValVal GlyVal FPsh-29
D, нм 1,8 1,6 1,5 1,1
Состав систем жидкофазного окисления
Вещество Исходная концентрация, М Добавляемый объем, мл Конечная концентрация в пробе, М
Люминол 5х10-4 0,2 5х10-5
Гомогенат белок 1 мг/мл 0,2 0,1 мг/мл
Исследуемое вещество 5х10-5 0,2 4,5х10-6
Буфер Трис-НС1 (рН 7,4) 0,1 1,4 0,06
ГПТБ 0,73 (7%) 0,2 0,073 (0,7%)
244
Рис. 2. Зависимость средних радиусов частиц в растворе от концентрации АПФ: 1 - Уа1Уа1Уа1, 2 - ГаШ, 3 - в1уУа1
Рис. 3. Кинетические кривые хемилюминесценции люминола в ГГМ в контрольном образце (1) и в присутствии ВПФ: ГРзк-29 (2), в!уУа1 (3), Уа\Уа\ (4), Уа1Уа1Уа1 (5)
лагать, что в указанном концентрационном диапазоне соединение находится в растворе в виде юнимеров. С течением времени средний размер частиц ГРзИ-29 увеличивается (до 70 нм для раствора С =1x10^). Этот результат демонстрирует, что водные растворы производных С60 с плохо экранированной фуллереновой сферой являются агрегативно неустойчивыми лиофоб-ными системами.
Результаты динамического светорассеяния показывают, что в ряду Уа1Уа1Уа1 << Уа1Уа1 < GlyУal<< FPsh-29 растворимость в воде увеличивается. В этом же ряду для АПФ уменьшается эффективность тушения хемилюминесценции люминола при окислении ГГМ: величина максимума свечения зависимостей I = ДО (рис. 3) уменьшается при увеличении молекулярной массы дипептидного адденда в ряду GlyУal — Уа1Уа1 — Уа1Уа1Уа1.
Сопоставление зависимостей I = Дт) для контрольного образца и образца, содержащего FPsh-29, указывает на незначительное прооксидантное действие FPsh-29. Полученный результат является нетривиальным, и для его объяснения требуются дополнительные исследования.
Известно, что при облучении светом С60 и некоторые его производные способны генерировать активные формы кислорода (АФК) [12], что обусловливает их прооксидантную активность. Возможно, проокси-дантный эффект FPsh-29 объясняется фотодинамическими свойствами соединения. Не исключено, что смешение компонентов системы жидкофазного окисления, содержащей FPsh-29, в темноте может привести к другому экспериментальному результату.
Значения эффективности тушения хемилюминесценции люминола (Ее) хорошо коррелируют с концентрацией МДА в исследуемых системах, содержащих АПФ, по окончании окисления (табл. 4). Этот результат свидетельствует о корректности метода хемилю-
3), и данных о характеристических размерах молекул (табл. 3) была определена условная величина Ст , отражающая растворимость АПФ в воде. Она составила 12,0х10-8 М для GlyУal и 5,6х10-8 М для Уа1Уа1. Определить таким способом величину Ст для Уа1Уа1Уа1 не удалось, однако ход зависимости г = ДС) позволяет ожидать, что для УalУalУal эта величина на несколько порядков ниже, чем для GlyУal и УalУal.
В растворах FPsh-29 с концентрацией в интервале С от 1х 10" до 2,2х10 М не фиксируется образование ассоциатов. Сопоставление нижнего предела измерений прибора (г = 0,6 нм) с характеристическими размерами молекулы FPsh-29 (табл. 2) позволяет по-
Т а б л и ц а 4
Влияние АПФ на интенсивность свечения люминола при окислении ГГМ и на содержание малонового диальгегида (конечного продукта окисления) в образце
Контроль Е, % К, мкг/г (ткани)
0 7,65±0,31
Gly-Val 18±2 6,12±0,25
Val-Val 22±2 5,53±0,22
Val-Val-Val 32±2 4,28±0,12
минесценции для изучения скорости генерирования радикалов в исследованных системах.
Полученные результаты показывают, что эффективность ингибирования ПОЛ производными С60 определяется растворимостью этих соединений в воде, причем максимальное ингибирующее действие проявляет ВПФ, наименее растворимое в водной фазе. Этот экспериментальный факт показывает, что наиболее гидрофобные соединения взаимодействуют с мембраной
в области жирнокислотных остатков фосфолипидов, где преимущественно и протекают процессы ПОЛ, т.е. образуются АФК, ловушками которых являются ВПФ. Таким образом, при рассмотрении целесообразности повышения растворимости в воде производных фуллерена С60 для дальнейшего терапевтического использования крайне важно принимать во внимание коллоидно-химические аспекты окисления ПОЛ в присутствии дифильных соединений [13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. DianzaniM.U. // Boll. Soc. Biol. Sper. 1992. 68. P. 491.
2. Тодоров И.Н., Тодоров Г.И. Стресс, старение и их биохимическая коррекция. М., 2003.
3. Кудрин А. Н. Фармакология. М., 1993. C. 328.
4. Podolski I.Ya., Podlubnaya Z.A., Kostenko E.A., Mugantseva E.A., Makarova E.G., Marsagishvili L.G., Shpagina M.D., Kaminsky Yu.G., Andrievsky G.A., Klochkov V.K. // J. Nanosci. Nanotechnol. 2007. 7. P. 4.
5. Трошин ПА., Трошина О.А., Любовская Р.Н., Разумов В.Ф. Функциональные производные фуллеренов: методы синтеза и перспективы использования в органической электронике и биомедицине / Под ред. В.Ф. Разумова и М.В. Клюева). Иваново, 2008.
6. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., 2004.
7. KotelnikovaR.A., KotelnikovA.I., Bogdanov G.N., Romanova VS., Kuleshova E.F., Parnes Z.N, Vol'pin M.E. // FEBS Lett. 1996. 389. P. 111.
8. Фархутдинов Р.Р., Лиховских Л. В. Хемилюминесцентные методы исследования свободнорадикального окисления в биологии и медицине. Уфа, 1995.
9. Lowry O. H, Rosebrough N. J., Farr A. L, Randall R. J. // J. Biol Chem. 1951. 193. P. 265.
10. Slater T. F. // Methods in Enzymology. 1984. 105. P. 273.
11. Тимофеева Г.И., Кулешова Е.Ф., Романова В.С. // Изв. РАН. Сер. хим. 1997. № 3. С. 493.
12. Овчинникова Н. С. Дис. ... канд. хим. наук. М., 2010.
13. Касаикина О.Т., ГолявинА.А., Круговов ДА., КарташеваЗ.С., Писаренко Л.М. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2010. 51. № 3. С. 246.
Поступила в редакцию 12.01.12
THE INFLUENCE OF DERIVATIVES OF FULLERENE C60 LIPOPHILICITY IN ITS ABILITY TO INHIBIT OF THE LIPID PEROXIDE OXYDATION IN AQUEOUS MEDIA
Yu.G. Bogdanova, A.A. Tepanov, V.A. Ioutsi , V.S. Romanova, G.N. Bogdanov, R.A. Kotel'nikova, D.V. Mischenko, A.Yu. Rybkin, A.I. Kotel'nikov
(Division of Colloid Chemistry)
Using dynamic light scattering method the aqueous solutions of fullerene C60 derivatives (FD) were investigated and ones influence in process of the lipid peroxide oxidation (LPO) in aqueous media was studied by chemiluminescence method. It was shown that colloidal water solubility which determines the FDs antioxidant activity is controlled by chemical structure of addend connected with C60. The most lipophilic FD is the best inhibitor.
Key words: fullerene C60 derivatives, antioxidant activity.
Сведения об авторах: Богданова Юлия Геннадиевна - ст. науч. сотр. кафедры коллоидной химии химического факультета МГУ, канд. хим. наук ([email protected]); Тепанов Александр Александрович - аспирант кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ; Иоутси В.А. - аспирант кафедры общей и биоорганической химии лечебного факультета РНИМУ им. Н.И. Пирогова, мл. науч. сотр. кафедры физической химии химического факультета МГУ; Романова Валентина Семеновна - ст. науч. сотр. ИНЭОС РАН, канд. хим. наук ([email protected]); Богданов Геннадий Николаевич - вед. науч. сотр. ИПХФ РАН, канд. хим. наук; Котельникова Раиса Алексеевна - зав. лаб. физико-химической биологии физиологически активных соединений ИПХФ РАН, канд. физ.-матем. наук (kotel@icp. ac.ru); Мищенко Денис Валерьевич - ст. науч. сотр. ИПХФ РАН, канд. биол. наук; Рыбкин Александр Юрьевич - аспирант ИПХФ РАН; Котельников Александр Иванович - зав. отделом ИПХФ РАН, докт. физ.-матем. наук ([email protected]).
