ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2009, том 83, № 6, с. 1183-1190
= ФОТОХИМИЯ И МАГНЕТОХИМИЯ =
УДК 541.14+667.287.5
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЗАМЕЩЕНИЯ ПОЛИКАТИОННЫХ ФТАЛОЦИАНИНОВ ЦИНКА И АЛЮМИНИЯ НА ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФОТОДИНАМИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ
© 2009 г. Д. А. Макаров*, Н. А. Кузнецова*, О. А. Южакова*, Л. П. Саввина*, О. Л. Калия*, Е. А. Лукьянец*, В. М. Негримовский*, М. Г. Страховская**
*ФГУПГНЦ "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей", Москва
E-mail: jerrik@rol.ru
**Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Биологический факультет
E-mail: marstr@biophys.msu.ru Поступила в редакцию 05.06.2008 г.
Синтезирован ряд фталоцианинов цинка и алюминия со средним числом пиридиниометильных и хо-линильных заместителей от 3 до 8. Показано, что в водных растворах с увеличением количества ка-тионных заместителей склонность фталоцианинов к агрегации уменьшается, квантовые выходы флуоресценции и генерации синглетного кислорода увеличиваются, а также возрастает эффективность сенсибилизированной поликатионными фталоцианинами цинка и алюминия фотодинамической инактивации колиформных бактерий в водной среде.
Обладая рядом уникальных физико-химических свойств, фталоцианины нашли практическое применение не только как красители [1], но и как современные функциональные материалы для нелинейной оптики [2], газовых сенсоров [3], катализа [4, 5] и др. В настоящее время одно из наиболее активно развивающихся направлений использования фталоцианинов и их металлокомплексов (МРс) - фотодинамическая терапия (ФДТ) онкологических и других заболеваний [6, 7]. ФДТ - это метод, основанный на накоплении в патологической ткани фотосенсибилизатора, активирующего при облучении видимым светом имеющийся в среде кислород, активные формы которого окисляют биомолекулы клетки, приводя к потере ее жизненных функций [8].
Одни из наиболее востребованных сенсибилизаторов для ФДТ - фталоцианины цинка и алюминия. Эти соединения относятся к сенсибилизаторам типа II, механизм действия которых основан на образовании цитотоксического синглетного кислорода (1О2) [8] по схеме:
MPc
hv
iMPc* 3MPc*,
3MPc* + 3O2 1O2 + биомолекула -
— MPc + 1O2, продукты окисления,
где 1МРс* и 3МРс* - фталоцианин в синглетном или триплетном возбужденных состояниях соответственно, ¡яе - интерконверсия из синглетного состояния в триплетное.
Фталоцианины цинка и алюминия в мономерной форме имеют достаточно высокие квантовые выходы генерации как триплетных возбужденных состояний, так и синглетного кислорода, что и определяет их высокий фототоксический эффект [8]. Однако в водных средах фталоцианины могут образовывать неактивные в фотохимических процессах агрегаты. Возбужденные состояния в агрегатах быстро дезактивируются в безызлучательных процессах, в результате чего квантовый выход генерации синглетного кислорода падает. Поскольку вода является биологической средой, актуален поиск сенсибилизаторов для ФДТ на основе фталоцианинов, сохраняющих мономерное состояние в водных растворах. Кроме того, такие соединения представляют интерес для фотодинамической инактивации патогенных микроорганизмов как с терапевтической целью, так и для стерилизации воды [9-11], особенно в связи с появлением полирезистентных штаммов. Что касается фотодинамического метода, то он сохраняет эффективность и для устойчивых к антибиотикам бактерий [12].
Один из путей снижения агрегации фталоцианинов в водной среде - использование сил электростатического отталкивания между одноименно заряженными молекулами, которое достигается введением в макроцикл ионогенных заместителей. Так, введение восьми анионных [13, 14] или восьми катионных [15, 16] заместителей приводит к полной мономеризации в воде фталоцианинов цинка, более склонных к агрегации, чем соответствую-
щие комплексы алюминия. В то же время четыре заряженных заместителя [14, 17-19] подавляют агрегацию лишь частично.
Исследования фталоцианинов с различными солюбилизирующими заместителями показали, что только фталоцианины цинка и алюминия, несущие в макрокольце положительно заряженные заместители, могут эффективно сенсибилизировать инактивацию различных патогенных микроорганизмов [16, 19, 20]. Антимикробные сенсибилизаторы этого класса обладают высокой активностью по отношению не только к грамположительным бактериям, но и к грамотрицательным, которые обычно устойчивы к действию сенсибилизаторов нека-тионного типа [19, 21].
В работе [15] мы исследовали некоторые аспекты влияния природы положительно заряженных заместителей на физико-химические и фото-сенсибилизирующие свойства окта- и гексадека-катионных фталоцианинов цинка и алюминия. В ряду исследованных соединений наиболее эффективными и перспективными для практического применения оказались окта(пиридиниометил)- и окта(холинил)фталоцианины цинка. Продолжая исследования в этом направлении, в настоящей работе мы изучили влияние количества положительно заряженных групп в макрокольце фталоцианинов цинка и алюминия на их состояние в водном растворе, спектрально-люминесцентные свойства, эффективность генерации синглетного кислорода и фотоиндуцированное антимикробное действие. Для выполнения поставленной задачи нами был синтезирован ряд катионных фталоцианинов, представляющих собой смеси разно-замещенных комплексов со средней степенью замещения, изменяющейся в интервале от 3 до 8:
R = — N^^ (MPcPym„),
\ / R = —N^
OH
(MPcChol„), M = Zn, AlCl.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Электронные спектры поглощения измеряли на спектрофотометре Hewlett-Packard 8453, спектры флуоресценции - на спектрофлуориметре Hitachi-850 с ксеноновой лампой в качестве источника возбуждения. Квантовые выходы флуоресценции (Фя) растворов поликатионных фталоцианинов в воде измеряли относительно стандарта - раствора незамещенного фталоцианина цинка в ДМСО (Фа = 0.20 [22]) при одинаковой интенсивности возбуждения на ^возб, получая спектры, нормированные на интенсивность флуоресценции стандарта.
Квантовые выходы синглетного кислорода (ФА) определяли относительно стандарта - окта(холи-нил)фталоцианина цинка (ZnPcChol8), значение ФА в водном растворе для которого известно и составляет 0.65 [15]. Акцептором синглетного кислорода служил 9,10-бмс-(4-(триметиламмонио)фенил)ан-трацен дигидрохлорид (BPAA), полученный по методу [23]. Раствор фталоцианина (5 х 10-6 моль/л), содержащий 3 х 10-5 моль/л BPAA, облучали в стандартной кювете с толщиной оптического слоя 1 см. В качестве источника света использовали лампу ДКСШ-150. Возбуждение фталоцианина производили в длинноволновую полосу поглощения Q через стеклянный светофильтр ЖС-18 и интерференционный фильтр с пропусканием 680 ± ± 25 нм. Интенсивность световых потоков определяли, используя измеритель мощности Spectra Physics 404. Долю поглощаемого образцом света рассчитывали интегрированием перекрывания спектров пропускания светофильтров и спектра поглощения фталоцианина. Фотосенсибилизиро-ванное окисление BPAA контролировали спек-трофотометрически по снижению поглощения в максимуме на длине волны 393 нм. Для расчета ФД использовали соотношение:
фд = фД^,/ wref I abs,
где ФД£ - квантовый выход генерации синглетного кислорода стандартом, W и Wref - скорости расходования BPAA при сенсибилизации исследуемым
фталоцианином и стандатром, Iabs и - количество поглощенных сенсибилизатором и стандартом квантов света соответственно.
Начальная концентрация BPAA была постоянной.
Для определения эффективности фотодинамической инактивации грам(-)-бактерий в присутствии катионных фталоцианинов использовали бактериальную биолюминесцентную тест-систему на основе генно-инженерного штамма Escherichia coli pXen7 [24]. Измерения интенсивности биолюминесценции проводили с использованием люминометра Биотокс-6 (Москва). К ре-
гидратированному образцу бактерий (1 мл) добавляли 20 мкл растворов фталоцианинов в дистиллированной воде. Время инкубации образцов с фталоцианинами составляло 5 мин. Облучение образцов проводили при 20-22°С с использованием источника холодного белого света ЭКОМП. Интенсивность излучения (к > 400 нм) на уровне образца составляла 17 мВт/см2. Каждая экспериментальная точка является усреднением пяти проведенных опытов. Погрешность метода не превышает 10%.
Фотобактерицидное действие фталоцианинов исследовали в отношении общих колиформных бактерий сточной воды, моделью которой служила вода Москвы-реки. Тестируемые поликатион-ные фталоцианины вводили в обрабатываемую воду в концентрации 1.5 х 10-6 моль/л, инкубировали в течение 1 ч, после чего раствор облучали в стеклянном реакторе с водяным охлаждением. Источником света служила галогенная лампа фирмы ОБЯАМ мощностью 500 Вт, расположенная в прожекторе на расстоянии 15 см от реактора. Интенсивность света, падающего на поверхность образца, составляла 40 мВт/см2. Облучение производили в течение 30 мин при непрерывном барботировании воздуха. Содержание общих колиформных бактерий (ОКБ), измеряемое количеством колониеобразующих единиц (КОЕ) в 100 мл воды, определяли до и после обработки с помощью метода мембранной фильтрации и выращивания посевов на среде Эндо с последующим подсчетом числа колоний [25].
Синтез поли(хлорметил)замещенных фталоцианинов. По аналогии с работой [15], к 10 г безводного хлористого алюминия прикапывали 4 мл триэтиламина, 6 мл симм-дихлордиметилового эфира, поддерживая температуру ниже 80°С. Затем в реакционную массу внесли 0.5 г фталоциа-нина цинка [26] или хлоралюминия [27] и перемешивали при 90-95°С от 0.5 до 3 ч. В ходе реакции периодически отбирали пробы для предварительной оценки степени замещения, для чего пробу обрабатывали водой, промывали метанолом (для цинковых комплексов) или водным метанолом (для алюминиевых комплексов), высушивали и определяли длинноволновый максимум поглощения в диметилформамиде. Введение хлорметиль-ных групп приводит к заметному батохромному смещению полосы Q, причем это смещение пропорционально количеству введенных заместителей и составляет на одну введенную группу ~1.8 нм для фталоцианинов цинка и ~2.5 нм для фталоцианинов алюминия. При достижении о
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.