БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 6, с. 1051-1060
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 576.32/. 36+576.385
ФОТОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙ СТВА И ФОТО ДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВНО СТЬ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ФТАЛОЦИАНИНОВ АЛЮМИНИЯ
© 2014 г. О.О. Ударцева, А.В. Лобанов*, Е.Р. Андреева, Г.С. Дмитриева*,
М.Я. Мельников**, Л.Б. Буравкова
ГНЦ РФИнститут медико-биологических проблем РАН, 123007, Москва, Xорошевское шоссе, 76а;
E-mail: olja_udartseva@rambler.ru *Институт xимической физики им. Н.Н. Семенова РАН, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4;
E-mail: avlobanov@mail.ru **Xимический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 3 E-mail: melnikov46@mail.ru Поступила в p едакцию 20.05.14 г. После доработки 13.08.14 г.
Получены водорастворимые супрамолекулярные комплексы фталоцианина алюминия на основе наноразмерного кремнезема (А1С1-Фц-п8Ю2) и поливинилпирролидона (AlCl-Фц-ПВП), содержащие редкие фотоактивные наноагрегаты. Рассчитаны излучательные времена жизни, коэффициенты экстинкции и значения энергии электронных переходов изолированных и ассоциированных металлокомплексов фталоцианинов. Определены нетоксичные концентрации синтезированных нанокомпозитных фотосенсибилизаторов in vitro. Проведена сравнительная характеристика эффективности фотодинамического воздействия с использованием различных модификаций фталоцианина алюминия: Фотосенса®, А1С1-Фц-п8Ю2 и А1С1-Фц-ПВП. В качестве клеточной модели для проведения фотодинамического воздействия были выбраны мезенхимные стромальные клетки. Показано, что наибольшей тропностью к клеткам обладал А1С1-Фц-п8Ю2. Облучение клеток, накопивших фталоцианины, приводило к генерации активных форм кислорода и последующей клеточной гибели путем апоптоза. Использование нанокомпозитной модификации позволило существенно снизить эффективную концентрацию фотосенсибилизатора и повысить цитотоксический эффект фотодинамического воздействия.
Ключевые слова: наночастицы, фталоцианины, мезенхимные стромальные клетки, фотодинамическое воздействие, супрамолекулярные комплексы.
Фталоцианины широко используются в качестве красителей, фото- и электрокатализаторов химических реакций, полупроводниковых материалов, тер мически стабильных полимер ов, лазерных красителей и оптических фильтров [1]. Особенно большое внимание уделяется разнообразным металлокомплексам фталоциани-нов (МФц), что объясняется постоянным рас-
Сокращения: МФц - металлокомплексы фталоцианинов; ФДВ - фотодинамическое воздействие; ПВП - поливи-нилпирролидон; п8Ю2 - наноразмерный кремнезем; ММСК - мультипотентные мезенхимные стромальные клетки; А1С1-Фц - фталоцианин хлороалюминия; А1С1-Фц-п8Ю2 - супрамолекулярные комплексы фталоцианина алюминия на основе наноразмерного кремнезема; А1С1-Фц-ПВП - супрамолекулярные комплексы фталоцианина хлороалюминия на основе ПВП; НСМО - низшая свободная молекулярная орбиталь; ВЗМО - высшая занятая молекулярная орбиталь.
ширением областей их применения [2]. В последнее вр емя предложено использовать МФц в устройствах для хранения и отображения информации, в жидкокристаллических композициях, в нелинейной оптике [3]. С середины 80-х годов прошлого века фталоцианины вызывают большой интерес в медицине в качестве фотосенсибилизаторов (веществ, повышающих чувствительность биологических тканей к свету) для диагностики и лечения ряда онкологических и неонкологических заболеваний с помощью нового клинического подхода - фотодинамической тер апии, о сновой которой является фотодинамическое воздействие (ФДВ) [4].
Фотодинамическое воздействие представляет собой неинвазивный двухкомпонентный метод, составляющими которого являются фотосенсибилизатор и низкоинтенсивное лазерное
излучение. В р езультате взаимодействия фотосенсибилизатора и света определенной длины волны происходит обр азование активных форм кислорода, которые, являясь цитотоксичными агентами, вызывают структурные повреждения клеток и приводят к их гибели [5,6]. Для эффективного функционирования МФц в качестве фотосенсибилизаторов принципиально нахождение их молекул в мономерной (изолированной) форме [7]. В этом случае отсутствуют процессы аннигиляции (самотушения) триплет-ных возбужденных состояний, что приводит к эффективному триплет-триплетному переносу энергии на кислород и запуску механизма ФДВ. В то же время большинство фотосенсибилизаторов, обладающих высокой фотодинамической активностью, являются липофильными, в физиологических растворах нестабильны и образуют агрегаты, что существенно ограничивает область их применения [8].
В настоящее время для повышения водо-растворимости фотосенсибилизаторов и специфичности их доставки к клеткам-мишеням существуют два о сновных подхода - химическая модификация и использование различных носителей. Химическая модификация подр азуме-вает введение в молекулу фотосенсибилизаторов различных по природе периферийных заместителей, обеспечивающих обр азование во-дор астворимых ионных форм соединений. Я р-ким примером подобной модификации фтало-цианина алюминия является Фотосенс® - суль-фофталоцианин гидроксиалюминия со средней степенью сульфирования 3 - препарат, одобренный для клинического применения при фотодинамической терапии рака. Однако из-за особенностей строения фотосенсибилизаторов химическая модификация не всегда возможна и эффективна. К др угому подходу, позволяющему увеличить гидрофильные свойства фотоактивных веществ, относится получение стабильных водорастворимых наноагрегатов, основой которых являются липосомы [9], полимер ные наночастицы [10], нанор азмерный кремнезем [11] и биополимер ы [12]. Ср еди разработанных носителей наиболее перспективными считаются поливинилпирролидон (ПВП) и на-норазмер ный кремнезем (п8Ю2), которые признаны биосовместимыми и безопасными [13]. Кроме того, известно, что во многих случаях супр амолекулярные комплексы характер изуют-ся повышенной селективно стью накопления фармакологически активного вещества в очаге патологии [14]. Основными преимуществами пБЮ2, по сравнению с другими носителями, являются большая плотность поверхности, химическая инертность, возможность изменять
размер пор и модифицировать поверхность [1315]. Поливинилпирролидон раствор им как в воде, так и в органических растворителях и хар актеризуется низкой токсичностью, высокой химической стабильностью и тканесовместимо-стью [12,16]. В последние годы ПВП широко используется для модификации различных поверхностей (наночастицы, катетеры, биочипы, биосенсоры и др.), что позволяет снизить абсорбцию к ним белков и существенно расширить область применения [16].
В настоящее вр емя метод ФДВ широко используется в онкологической практике для элиминации новообразований, после чего в месте прежней локализации опухоли происходит частичное или полное восстановление исходной тканевой структуры. Основными клеточными элементами тканевой репарации после ФДВ являются мультипотентные мезенхимные стро-мальные клетки (ММСК), которые не только формируют строму многих тканей, но и могут принимать уча стие в ангиогенезе [17,18]. Соответственно, вопрос устойчивости стр омальных клеток к фотодинамической терапии весьма актуален. В связи с этим ММСК были выбр аны в качестве клеточной модели для проведения ФДВ.
В настоящей работе были синтезированы водор астворимые супр амолекулярные комплексы фталоцианина хлороалюминия (AlCl-Фц) на основе nSiO2 и ПВП (А1С1-Фц-п8Ю2 и AlCl-Фц-ПВП соответственно), охарактеризованы их фото физические свойства и оценена их темно-вая токсичность. О собое внимание уделено способности к агрегации МФц в нанокомпозитной модификации. Проведен сравнительный анализ степени накопления в ММСК и фотодинамической активности супрамолекулярных комплексов AlCl-Фц с различной склонностью к агрегации.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Синтез и анализ нанокомпозитных фтало-цианинов. В работе использовали AlCl-Фц (Actos Organks, CША), диметилформамид (Реа -хим, Россия) дважды перегнанный, поли-К-ви-нилполипирролидон с молекулярным весом 26,5 кДа (Sigma, CША) и 1% р а створ нанораз-мерного кремнезема с диаметром частиц 60 нм в 70% этаноле или 0,9% NaCl в воде (физиологическом растворе), полученный в ИCПМ РАН в лаборатории академика А.М. Музафа-рова. Чистоту и индивидуальность кристаллических фталоцианинов подтверждали методом MALDI-масс-спектрометрии на приборе Thermo DSQ II (ОТА).
Базовый раствор металлокомплекса фтало-цианина с концентр ацией 5,2-10-3 моль/л готовили путем р а створ ения навески А1С1-Фц (0,060 г) в 20 мл диметилформамида. Концентрацию уточняли по электр онным спектрам поглощения. Растворы хранили в темноте при +4°С и при необходимости разбавляли перед экспериментом. Отдельно готовили 2%-й (масс.) раствор ПВП в 0,9% водном р-ре КаС1. Для регистрации электронных спектров использовали прибор НАСН Б И-4000V (США). В кварцевую кювету шириной 1 см помещали 2 мл раствора кремнезема или полимера и 0,020,10 мл ра створ а металлокомплекса фталоциа-нина известной концентрации. Молярные коэффициенты экстинкции (е, М-1см-1), излуча-тельные времена жизни синглетных состояний (Т0, с) и энергию электронных переходов между низшей свободной и высшей занятой молеку-ляр ными орбиталями (Н С МО-ВЗМО) изолиро -ванного и ассоциир ованного состояния метал-локомплексов фталоцианина (Д—н смо-взмо,
эВ)
вычисляли из параметров электронных спектров по известным формулам [19]:
е =
D, CV
где О - максимум оптической плотности, характерный для раствора металлокомплекса фта-лоцианина, С - концентрация раствора металлокомплекса фталоцианина (моль/л), I = 1 см -длина оптического пути (толщина используемой кюветы);
Т0 =
3,5-108g
v2 е Av1x'
тах тах V2
где g = 1 - мультиплетность квантового со -стояния, vmax - волновое число, соответствующее положению максимума полосы поглощения (см-1), етах - коэффициент экстинкции (М-1см-1), Дv - шир ина полосы поглощения на половине высоты полосы (см-1);
ен смо-взмо = ,
где к = 4,136-10 15 эВ/с - постоянная Планка, с = 3-108 м/с, X - длина волны, соответствующая максимуму оптической плотности для исследуемого металлокомплекса фталоцианина (нм).
Измерения флуоресцен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.