Каррагинаны как новые субстанции для лекарственных средств с радиопротекторным действием

– ферроцианиды, бария сульфат, полисурьмин, цеолиты, комплексообразователи и другие соединения, многие из которых являются довольно токсичными веществами и не предназначены для длительного применения [3, 11, 13]. Это обстоятельство делает актуальным поиск новых безопасных и эффективных средств обеспечения фармакологической защиты человека от воздействия источников внутреннего облучения. В качестве таких перспективных средств защиты могут рассматриваться некоторые некрахмальные полисахариды, так как они не вызывают токсических и выраженных побочных эффектов и при этом обладают достаточной сорбционной емкостью в отношении вышеприведенных металлов [7, 8, 12, 15]. В нашем исследовании использовали полисахариды красных водорослей – каррагинаны. В химическом плане каррагинаны представляют собой сульфатированные галактаны, состоящие из повторяющихся дисахаридных звеньев D-галактозы и ее производных, соединенных регулярно чередующимися β-(1→4)- и α-(1→3)-гликозидными связями. Для каррагинанов характерно большое структурное разнообразие, обусловленное тем, что 4-О-замещенный моносахаридный остаток может быть остатком как галактозы, так и ее 3,6-ангидропроизводного, а гидроксильные группы могут быть сульфатированы [1]. Характерной особенностью каррагинанов является их способность образовывать комплексы с ионами некоторых металлов, при этом катионы металлов взаимодействуют с сульфатными группами соседних участков молекул каррагинана с образованием межмолекулярных «мостиков», за счет которых происходит форми- рование и стабилизация структуры каррагинанового геля [10]. Способность каррагинанов к образованию комплексов с металлами зависит, в первую очередь, от индивидуальных особенностей их структуры. Несмотря на многочисленные работы, посвященные взаимодействию каррагинанов с металлами и проведенные детальные исследования структуры образующихся комплексов, в литературе практически отсутствуют сведения о взаимодействии каррагинанов c радионуклидами [4, 9].

Цель работы: проведение сравнительной оценки связывающей способности разных типов каррагинанов по отношению к ионам стронция и церия.

Материалы и методы. В экспериментальной работе были использованы коммерческие образцы ι-каррагинана (CAS номер 79062 07-1, тип II, Sigma), κ-каррагинана (CAS номер 11114-20-8, тип II, Aldrich), λ-каррагинана (CAS номер 9064-57-7 , тип I, Aldrich). Эти каррагинаны являются линейными полисахаридами, построенными из чередующихся остатков 1,3-связанной α -D-галактопиранозы и 1,4-связанной 3,6-ангидро-β-галактопиранозы и отличаются различным содержанием сульфатных групп. ι-каррагинан и κ-каррагинан относятся к желирующим типам, а λ-каррагинан желирующей способностью не обладает.Хлорид стронция (CAS номер 10476-85-4) и сульфат церия (CAS номер 13590-82-4) были произведены фирмой Aldrich.

Способность каррагинанов связывать ионы стронция и церия in vitro при разных значениях рН среды определялась по схеме, описанной нами ранее для пектинов [7]. Количество связавшихся с каррагинаном ионов металлов вычисляли по формуле:

Q=V(Ci-Cе)/M, где Q – количество ионов стронция или церия, связанных каррагинаном, мг/г; V – общий объем инкубационной смеси, л; Сi – начальная концентрация ионов металла в растворе, мг/л; Сe – равновесная концентрация ионов металла в растворе, мг/л; М – масса каррагинанов, г.

Для изучения кинетики связывания изотопов стронция и церия образцами каррагинанов в емкость, снабженную магнитной мешалкой, вносили 10 мл 0,1 М растворов хлорида стронция или сульфата церия и 10 мл 1,0 М ацетатного буфера со значением рН 4,0. При интенсивном перемешивании добавляли 100 мл 0,5% раствора ι-каррагинана, κ-каррагинана или λ-каррагинана и доводили объем смеси дистиллированной водой до 200 мл. Смесь инкубировали при перемешивании и через заданные промежутки времени отбирали из нее по 20 мл, в отобранной пробе определяли равновесную концентрацию церия или стронция по формуле представленной выше.

Результаты и обсуждение. Графики кинетики связывания каррагинана с ионами металла строили следующим образом: максимальную сорбционную емкость, зарегистрированную в ходе исследования, принимали за 100%, а количество связанных ионов стронция или церия в течение определенного времени инкубации выражали в процентах от максимальной сорбционной емкости. Кинетические кривые связывания стронция каррагинанами различных типов свидетельствуют, что для достижения сорбционного равновесия ι-каррагинану и κ-каррагинану требуется 90 мин и 120 мин соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Кинетика связывания ионов стронция каррагинанами при рН 4,0: а) ι-каррагинан, б) κ -каррагинан

Исследование кинетики сорбции ионов церия показало, что они взаимодействовали с каррагинанами достоверно быстрее, чем ионы стронция. Так, 50%-й уровень сорбции церия для ι -каррагинана, κ -каррагинана достигался через 17-20 мин, а максимальный – через 50-60 мин (рис. 2). Сорбционную активность у λ-каррагинана обнаружить не удалось, поэтому кривые связывания не были построены и показатели сорбционной активности не были рассчитаны.

Рис. 2. Кинетика связывания ионов церия каррагинанами при рН 4,0: а) ι-каррагинан, б) κ -каррагинан

На основе экспериментальных данных по связыванию стабильных изотопов стронция и церия образцами каррагинанов были построены изотермы сорбционного равновесия (зависимость сорбции каррагинанами ионов металла от их равновесной концентрации). Форма полученных кривых позволила отнести их к классу изотерм Лэнгмюра. Следовательно, для определения коэффициентов сродства сорбентов к ионам стронция и церия, а также для нахождения максимальной сорбционной емкости исследуемых каррагинанов использовали сорбционную модель Лэнгмюра:

Q=Qmax×b×Ce/1+b×Ce, где Q – связывание стабильных изотопов, мг/г сухой массы каррагинанов; Qmax – максимальное связывание сорбата (церия или стронция) в данных условиях, мг/г каррагинанов; b – коэффициент сродства сорбента к сорбату, л/мг; Се – равновесная концентрация ионов металла в растворе, мг/л. Показатель Qmax является математическим отображением количества активных центров в структуре каррагинанов, которые могут взаимодействовать с молекулами сорбата. Коэффициент сродства (аффинитета) указывает на прочность возникающих связей и скорость образования комплекса сорбент-сорбат.

По результатам экспериментов с ι -каррагинаном не было обнаружено строгой зависимости его связывающей активности от рН среды. Максимум сорбции церия и стронция ι -каррагинаном был зарегистрирован при рН 4,0. При понижении рН до 2,0, а также при ее повышении до 6,0 связывающая активность снижалась незначительно, в целом, оставаясь на высоком уровне (табл. 1, 2). κ -каррагинан выделяется своей способностью активно сорбировать церий и стронций из растворов в диапазоне рН от 2,0 до 4,0, при этом при повышении рН до 6,0 его связывающая активность падала, в среднем, в 1,45 раза.

Таблица 1. Экспериментальные константы Лэнгмюра для связывания ионов стронция различными типами каррагинанов

Таким образом, при сорбции стабильных изотопов стронция и церия каррагинанами различных типов не наблюдается такой строгой зависимости от рН среды, как в случае с другими полисахаридами [7, 8]. Сорбционная активность каррагинанов снижается в ряду ι-каррагинан > κ-каррагинан > λ-каррагинан. Более высокие сорбционные характеристики ι-каррагинана в сравнении с κ-каррагинаном позволяют сделать предположение, что с увеличением количества сульфатных групп в молекуле каррагинанов возрастает их сорбционная активность. В то же время содержащий максимальное количество сульфатных групп λ-каррагинан не обладает связывающей активностью. То есть, можно сделать вывод, что образовывать прочные связи с ионами церия и стронция могут только каррагинаны, содержащие ангидрогалактозные звенья и способные в присутствии металлов формировать упорядоченную структуру геля с оптимальным пространственным размещением сульфатных и гидроксильных групп.

Таблица 2. Экспериментальные константы Лэнгмюра для связывания ионов церия различными типами каррагинанов

При исследовании влияния рН среды на активность каррагинанов было обнаружено, что ι-каррагинан активно связывает ионы церия и стронция во всем исследованном диапазоне рН среды. Снижение связывающей активности κ-каррагинана при сдвиге рН в щелочную сторону в данном эксперименте труднообъяснимо, особенно принимая во внимание высокую сорбционную активность ι-карраги-нана при тех же условиях и учитывая, что оба каррагинана образуют схожие гелевые структуры. Вместе с тем устойчивость комплексов церия и стронция с ι- и κ-каррагинанами при низких значениях рН может быть связана со стабилизацией данных комплексов за счет дополнительных донорно-акцепторных связей катиона с кислородными атомами галактопираноз-ного кольца и молекулами воды, входящими в структуру комплексов. Наличие таких связей в структуре комплекса металл-карагинан ранее было установлено в работах других авторов, в частности, для кальциевой соли ι-каррагинана [6].

Выводы: ι - и κ -каррагинаны характеризуются способностью прочно и эффективно связывать ионы стронция и церия. Сорбционная активность каррагинанов зависит от их структуры, в том числе от наличия сульфатных групп. ι -каррагинан является наиболее эффективным сорбентом стронция и церия, и может быть использован при создании новых лекарственных препаратов для лечения и профилактики состояний, связанных с поражением радионуклидами.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ, код проекта 413.