ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 443, № 1, с. 120-122
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 577
АНТИМИКРОБНАЯ АКТИВНОСТЬ МЕХАНОХИМИЧЕСКИ СИНТЕЗИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ АНТИБИОТИКОВ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
© 2012 г. А. В. Душкин, К. В. Гайдуль, И. А. Гольдина, С. А. Гуськов, В. И. Евсеенко,
академик Н. З. Ляхов, В. А. Козлов
Поступило 01.11.2011 г.
Проблема эффективной комплексной терапии инфекционных заболеваний относится к числу наиболее актуальных в современной медицине. Ведущая роль в этой терапии отводится антибиотикам, адекватное применение которых определяет эффективность лечения [1, 2, 6]. Вследствие этого получение новых препаратов с широким антимикробным спектром, низкой токсичностью и высокой антибактериальной активностью за счет создания систем адресной доставки лекарственных веществ, так называемых Drugs Delivery Systems, является важным направлением биомедицины. Развиваемая в ИХТТМ СО РАН твердофазная механохимическая технология получения композиций лекарственных веществ с вещества-ми-"носителями" показала свою эффективность для повышения фармакологической активности и безопасности лекарственных препаратов [3—5]. В настоящее время антибиотики группы цефало-споринов являются одними из наиболее широко применяемых для антимикробной терапии [6]. Целью данного исследования было получение и сравнительное изучение антимикробной активности и некоторых физико-химических свойств композиций антибиотиков группы цефалоспори-нов с наноструктурированным коллоидным диоксидом кремния, частицы которого выступали в качестве носителя молекул лекарственных веществ.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получение композиций осуществляли меха-нохимической обработкой смесей антибиотиков (цефотаксим или цефтриаксон или цефтазидим)
Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
Научно-исследовательский институт клинической иммунологии Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, Новосибирск
и наноструктурированного коллоидного диоксида кремния (энтеросорбент "Полисорб", Россия), далее КДК, в шаровой ротационной мельнице (энергонапряженность 1g) в массовых соотношениях антибиотик/КДК — 100 : 1; 60 : 1; 50 : 1 и 30 : 1 в течение 0.5—4 ч. Электронные микрофотографии получали на микроскопах JEOL и HITACHI ТМ-1000 (Япония). Гранулометрический состав водных суспензий определяли на лазерном гранулометре Microsizer 201 (Россия). Концентрации водных растворов антибиотиков контролировали методом ВЭЖХ на хроматографе Agilent 1200 (США). Для оценки степени сорбции антибиотиков на КДК навеску композиции суспендировали в дистиллированной воде и центрифугировали. Затем надосадочную жидкость сливали, осадок повторно суспендировали в таком же количестве дистиллированной воды. Количество антибиотика, десорбировавшегося в водную фазу, определяли ВЭЖХ. Затем процедура осаждения и суспендирования повторялась. Для расчета степени сорбции количества десорбированных антибиотиков суммировали. Было экспериментально определено, что более 95% сорбированного антибиотика удается "извлечь" уже за 2 цикла осаждения/суспендирования.
Для определения терапевтической эффективности антибиотиков и их фармацевтических композиций с КДК использовали экспериментальные модели сепсиса и метод статистической обработки полученных результатов (х2) согласно [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Структурные характеристики композиций. Материал КДК на основании электронных микрофотографий состоит из округлых наночастиц размером 20—100 нм, агрегированных в рыхлые агрегаты размером 5—100 мкм. В водной суспензии агрегаты частично разрушаются. При механохимическом получении композиций с антибиотиками происходит уменьшение размеров агрегатов. Численные данные распреде-
АНТИМИКРОБНАЯ АКТИВНОСТЬ
121
Таблица 1. Массовая (объемная) доля частиц (%) в водных суспензиях КДК и его композиций с антибиотиками
Состав композиции* Размер частиц
<3 мкм <5 мкм < 10 мкм
КДК исходный 0.5 5.3 25.7
Цефотаксим/КДК 14.7 30.6 54.1
Цефтриаксон/КДК 19.4 34.5 52.4
Цефтазидим/КДК 14.3 23.3 33.0
* Массовое соотношение антибиотик/КДК = 30/1, время механохимической обработки 2 ч.
Таблица 2. Степень сорбции антибиотиков на коллоидном диоксиде кремния в композициях при массовом соотношении субстанция антибиотика/КДК = 30/1
Состав композиции Количество сорбированного антибиотика/количество КДК, мас. %
Цефотаксим/КДК 56
Цефтриаксон/КДК 85
Цефтазидим/КДК 53
ления по размерам частиц и показатели сорбции приведены в табл. 1 и 2.
Сорбция антибиотиков частицами диоксида кремния. Степень сорбции антибиотиков не зависит от времени механической обработки и массовых соотношений антибиотик/КДК от 10/1 до 50/1. Относительно неизменная степень сорбции и легкость высвобождения сорбированных антибиотиков, вероятно, указывают на объемный механизм сорбции за счет эффекта мезопористости КДК, т.е. на концентрационное накопление антибиотика в порах его частиц.
Таким образом, механохимическая обработка позволяет многократно увеличить массовую (до ~40 раз) и тем более счетную долю малоразмерных (менее 3—5 мкм) фракций частиц КДК, а следовательно, и количество антибиотика, сорбированного наиболее биологически активными микро- и наноразмерными частицами.
Исследование антибактериальной активности композиций антибиотиков. Микроорганизмы: Staphylococcus aureus (ATCC № 25923 F-49), Escherichia coli (АТСС № 25922 F-50), Pseudomonas aeruginosa (ATCC № 27853 F-51). Животные: эксперименты проводили на гибридных мышах (CBA х х C57Black/6)CBF1 в соответствии с "Правилами работ с использованием экспериментальных животных" (Приложение к приказу Министерства здравоохранения СССР от 12.08.1977 г., № 755).
Экспериментальные модели сепсиса. Мышам внутривенно в объеме 0.8 мл вводили взвесь суточной культуры Pseudomonas aeruginosa в дозе 5 х 108 КОЕ/мышь или взвесь суточной культуры Staphylococcus aureus в дозе 1010 КОЕ/мышь, или взвесь суточной культуры Escherichia coli в дозе 8 х 108 КОЕ/мышь. Контрольной группе мышей вводили физиологический раствор (0.9%-й раствор натрия хлорида) в объеме 0.8 мл. Через сутки после инфицирования мышам внутривенно ежедневно однократно в течение трех дней вводили антибиотики и различные фармацевтические композиции (антибиотик/КДК) в дозе 100 мг/кг, разведение в 0.25 мл физиологического раствора. Контрольной группе мышей по этой же схеме вводили физиологический раствор или КДК в объеме 0.25 мл.
Эффективность антибактериальной терапии оценивали по количеству выживших мышей на 7-е сутки после инфицирования. Полученные
Таблица 3. Терапевтическая эффективность антимикробной терапии бактериального сепсиса (Выживаемость мышей на 7-е сутки после инфицирования**, % (абс. значения))
Исследуемые антибиотики и композиции* S. аигеш E. coli P. aeruginosa х2
Физиологический раствор (контроль) 0(0/30) 0(0/30) 0(0/30) -
КДК (контроль) 0(0/32) 0(0/31) 0(0/30) -
Цефотаксим 40.0 (12/30) 43.3 (13/30) - Р < 0.01
Цефотаксим/КДК 86.7 (26/30) 83.3 (25/30) -
Цефтриаксон 46.7 (14/30) 41.9 (13/31) - Р < 0.01
Цефтриаксон/КДК 90.0 (27/30) 87.5 (28/32) -
Цефтазидим - 38.7 (15/31) 43.3 (13/30) Р < 0.01
Цефтазидим/КДК - 84.8 (28/33) 86.7 (26/30)
* Мехактивированные в течение 2 ч смеси — антибиотик/КДК (в весовом соотношении 30/1); ** перед чертой — число выживших, после черты — число инфицированных; прочерк — опыты не проводили, ввиду относительно низкой чувствительности микроорганизмов к исходным антибиотикам.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 443 № 1 2012
122
ДУШКИН и др.
данные, представленные в табл. 3, отражают результаты трех независимых экспериментов (для исследования каждого препарата суммарно использовано не менее 30 подопытных животных).
Как видно из табл. 3, все предлагаемые фармацевтические композиции антимикробного действия (антибиотик/КДК) обладают достоверно повышенной терапевтической эффективностью (примерно в 2 раза) по сравнению с исходными антибиотиками при лечении сепсиса у экспериментальных животных, вызванного P. aeruginosa, S. аигеш или E. coli.
Таким образом, механохимически синтезированные композиции цефалоспориновых антибиотиков с наноструктурированным диоксидом кремния на основании показателей выживаемости животных при экспериментальном сепсисе проявляют значительно более высокую антибактериальную активность по сравнению с исходными субстанциями. Механохимическая технология получения композиций антибиотик/КДК позволяет многократно увеличить долю мелких (<3—5 мкм), наиболее биологически активных частиц-агрегатов КДК. Мы предполагаем, что микро- и наночастицы диоксида кремния с сорбированными на них молекулами антибиотиков активно фагоцитируются макрофагами (клетками иммунной системы) и
переносятся ими к очагам воспаления, что приводит к увеличению локальной концентрации антибактериальных препаратов в поврежденных тканях. Данный механизм, наряду с увеличением функциональной активности макрофагов в результате фагоцитоза микро- и наночастиц, вероятно, приводит к повышению терапевтической эффективности антибиотиков при сепсисе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лазарева И.Б., Игонин А.А. // Лечащий врач. 2004. № 4. С. 11-14.
2. Сидоренко С.В., Резван С.П., Грудинина С.А. и др. // Антибиотики и химиотер. 1998. Т. 43. № 1. C. 4-14.
3. Гайдуль К.В., Гольдина И.А., Сафронова И.В. и др. // Вестн. Урал. мед. акад. науки. 2009. № 2/1. С. 202203.
4. Душкин А.В. // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. Т. 12. № 3. С. 251-274.
5. Dushkin A.V. In: High-Energy Ball Milling. Mecha-nochemical Processing of Nanopowders. Oxford: Woodhead, 2010. P. 249-273.
6. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М.: Новая волна, 2010. 1216 с.
7. Eckhardt C., Fickweiler K., Schaumann R., et al. // Anaerobe. 2003. V. 9. P. 157-160.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 443 № 1 2012
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.