Автореферат и диссертация по медицине (14.03.06) на тему:Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов

ДИССЕРТАЦИЯ
Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов - диссертация, тема по медицине
АВТОРЕФЕРАТ
Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов - тема автореферата по медицине
Макарова, Ксения Евгеньевна Владивосток 2014 г.
Ученая степень
кандидата биологических наук
ВАК РФ
14.03.06
 
 

Автореферат диссертации по медицине на тему Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов

На правах рукописи

Ы-Ма*-

Макарова Ксения Евгеньевна

Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов

14.03.06- фармакология, клиническая фармакология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

15 т 2014

005548297

Владивосток-2014

005548297

Работа выполнена в Государственном бюджетном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Научный руководитель д.б.н., профессор Хотимченко Юрий Степанович Официальные оппоненты:

Зориков Петр Семенович, д.б.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горнотаежная станция им. В.Л. Комарова Дальневосточного отделения Российской академии наук, заведующий лабораторией лекарственных растений

Кушнерова Наталья Федоровна, д.б.н., профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук, заведующая лабораторией биохимии

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт фармакологии имени Е.Д. Гольдберга» Сибирского отделения Российской академии медицинских наук

Защита состоится «25» июня 2014г. в 10:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 208.007.03 при Тихоокеанском государственном медицинском университете по адресу: 690002, г. Владивосток, пр. Острякова, д. 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского государственного медицинского университета и на сайте http://vgmu.ru/

Автореферат разослан «Л^» ^^ Е-АсС 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного сове;

Просекова Елена Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка новых лекарственных средств и поиск сырьевых источников фармацевтических субстанций представляют первостепенную задачу экспериментальной и клинической фармакологии. Актуальность этой задачи подчеркивается тем фактом, что в структуре фармацевтического рынка нашей страны отечественные производители лекарственных препаратов составляют менее 25%, и в ассортименте производимых препаратов крайне незначительна доля современных высокоэффективных лекарств [Хотимченко Ю.С., 2010]. Важным источником новых фармацевтических субстанций и лекарств являются природные соединения, их производные и синтетические аналоги, на основе которых, по разным оценкам, создается от 40 до 70% фармакологически активных веществ [Стоник В.А., Толстиков Г.А., 2008; Satheeshkumar N. et al., 2012; Bilecova-Rabajdova M. et al., 2013; Kaur K. et al. 2014]. Среди этих соединений обращают на себя внимание углеводные биополимеры, составляющие группу некрахмальных полисахаридов, к которым относят альгинаты, фукоиданы, каррагинаны и хитозаны, содержащиеся в основном в морских гидро-бионтах, и пектиновые вещества наземных растений и морских трав [Хотимченко Ю.С. и др., 2005; Caffall К.Н., Mohnen D„ 2009; Kumar V. et al., 2012].

Отличительным физиологическим свойством некрахмальных полисахаридов является их устойчивость к действию амилаз экзокринных желез млекопитающих, благодаря чему они не абсорбируются в тонкой кишке и не оказывают резорбтивные эффекты [Plaami S.P., 1997; Walsh М.С. et al., 2012]. Несмотря на это некрахмапьные полисахариды обладают широким спектром фармакологических эффектов, таких как гастропротективный [Хасина Э.И. и др., 2003; Крылова С.Г. и др., 2009; Ефимова JI.A. и др., 2010], гепатопротективный [Сонина Л.Н., Хотимченко М.Ю., 2007; Li Т.Р., 2013; Hua Y. et al., 2014], нефропротективный [Хотимченко М.Ю. и др., 2008а, 2009], гиполипидемический [Metzger В.Т. et al., 2009; Brouns F. et al., 2012; Ja-kobsdottir G. et al., 2013], иммуномодулирующий [Tsuji R.F. et al., 2003; Yoshikawa Y. et al., 2008] и некоторые другие. Благодаря низкой токсичности и возможности получения модифицированных производных с более высокой или принципиально новой фармакологической активностью растительные полисахариды рассматриваются в качестве потенциальных фармацевтических субстанций [Laurienzo Р., 2010; Vasile С. et al., 2013; Pomin V.H., Mourao P.A., 2014].

Вместе с тем, из обнаруженных эффектов некрахмальных полисахаридов наибольший интерес вызывает способность, прежде всего, пектинов и альгинатов взаимодействовать с тяжелыми металлами с образованием ионно-координационных связей с участием карбоксильных и гидроксильных групп пиранозных циклов уроновых кислот соседних полимерных цепей и катиона металла [Хотимченко Ю.С. и др. 2001а, б; Davis Т.А. et al., 2003а, b; Khotimchenko M.Y. et al„ 2007a, b, 2008a, b, 2010, 2012a, b; Khotim-chenko Y.S. et al., 2012]. Это свойство позволяет использовать полиурониды для предупреждения всасывания токсичных металлов из кишечника в кровь и выведения депонированных в организме металлов, в том числе радионуклидов [Савченко О.В., Хотимченко Ю.С., 2002; Khotimchenko M.Y. et al., 2014]. Учитывая тот факт, что нативные полисахариды, выделенные из растений и водорослей, являются крупными молекулами, не способными абсорбироваться в кровь после орального применения, мы предположили, что уменьшение молекулярной массы полисахаридов увеличит их биодоступность и, возможно, повысит эффективность фармакологического воздействия. Для решения этих вопросов необходимо было на первых этапах изучить, как изменяются и в какую сторону фармакологические свойства низкомолекулярных полисахаридов в сравнении с их высокомолекулярными предшественниками.

Цель работы: исследовать металлсвязывающую активность низкомолекулярных пектинов и альгинатов и определить зависимость количественных параметров сорбции металлов от молекулярной массы полисахаридов.

Задачи работы:

1. Модифицировать метод получения низкомолекулярных пектинов и альгинатов.

2. Изучить кинетику связывания катионов свинца, кадмия и ртути низкомолекулярными пектинами и альгинатами и влияние на этот процесс pH реакционной среды.

3. Определить максимальную сорбционную емкость и аффинитет низкомолекулярных пектинов и альгинатов по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути.

4. Провести сравнительный анализ сорбционных характеристик низкомолекулярных и высокомолекулярных пектинов и альгинатов, а также микрокристаллической целлюлозы, полифепана и активированного угля.

5. Исследовать влияние пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой на экскрецию катионов свинца в организме экспериментальных животных.

Научная новизна и теоретическое значение работы. В диссертационной работе проведен анализ зависимости сорбционной активности пектинов и альгинатов от их молекулярных масс. Экспериментальным путем in vitro определено влияние молекулярной массы пектинов и альгинатов на количественные параметры процесса сорбции катионов кадмия, свинца и ртути с применением математических моделей Лэнгмюра, Фрейндлиха и Брюне-Эммет-Теллера. Установлено, что с уменьшением молекулярной массы пектинов и альгинатов возрастает их связывающая активность по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути. Наиболее эффективным сорбентом катионов кадмия и свинца является альгинат кальция с молекулярной массой 8,1 кДа, катионов ртути - пектат кальция с молекулярной массой 6,8 кДа. Важное значение для процесса сорбции катионов тяжелых металлов низкомолекулярными пектинами и альгинатами имеет зависимость от рН среды. Альгинат кальция с молекулярной массой 8,1 кДа проявлял наибольший эффект по выведению катионов свинца по сравнению с другими исследованными полисахаридами в экспериментах на животных.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют рекомендовать низкомолекулярные фракции пектинов и альгинатов для более глубокого изучения в качестве потенциальных лекарственных средств с целью выведения тяжелых металлов из организма. Модифицированный метод получения низкомолекулярных полисахаридов путем ступенчатого кислотного гидролиза позволяет получить пектины и альгинаты с молекулярной массой 1-10 кДа и 10-20 кДа, увеличить их выход и предотвратить деградацию полисахаридов за счет увеличения исходной концентрации и снижения времени контакта с гидролизующим агентом. Метод может быть использован для получения новых фармакологических субстанций на основе некрахмальных полисахаридов. Результаты исследования внедрены в учебный процесс на кафедре фармации ГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный медицинский университет» Минздрава России (акт внедрения от 02.12.13г).

Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на Дальневосточном региональном конгрессе с международным участием «Человек и лекарство» (Владивосток, 2010, 2013), научно-практической конференции «Первые Международные Беккеровские чтения» (Волгоград, 2010), на отчетной конференции в рамках Целевой комплексной программы фундаментальных научных ис-

следований в ДВО РАН на период 2008-2012 гг. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурных материалов» (Владивосток, 2010), на Международной виртуальной интернет-конференции «Медицина в XXI веке: тенденции и перспективы» (Красноярск, 2012), на Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2012), на Съезде фармакологов России «Инновации в современной фармакологии» (Казань, 2012 года), на XX Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России для публикации основных положений диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие низкомолекулярных полисахаридов с катионами свинца, кадмия и ртути происходит в соответствии с сорбционными моделями Лэнгмюра и Фрейндлиха. При снижении молекулярной массы пектинов и альгинатов увеличивается их связывающая активность по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути.

2. Применение низкомолекулярных пектинов и альгинатов достоверно повышает экскрецию катионов свинца у экспериментальных животных по сравнению с высокомолекулярными полисахаридами.

Личный вклад автора. Автором выполнен основной объем работ по обобщению литературных данных по теме диссертации, разработан дизайн экспериментов, спланированы и проведены опыты по установлению металлсвязывающей активности in vitro и оценке влияния некрахмальных полисахаридов на экскрецию свинца in vivo, систематизированы, статистически обработаны и проанализированы экспериментальные данные. Метод получения низкомолекулярных полисахаридов модифицирован совместно со старшим научным сотрудником лаборатории фармакологии Института биологии моря им. A.B. Жирмунского ДВО РАН Ковалевым В.В.

Объем и структура диссертации. Диссертация представлена на 128 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, трех глав собственных исследований, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 36 рисунками и 12 таблицами. Библиография состоит из 254 отечественных и зарубежных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы исследования. В качестве исходного сырья для получения экспериментальных образцов низкомолекулярных полисахаридов использовали коммерческие цитрусовый пектин (Herbstreith & Fox KG, Германия) и альгинат натрия («Sigma», США). Из них методом кислотного гидролиза в лаборатории фармакологии Института биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН получены пек-таты кальция и альгинаты кальция с различной молекулярной массой. В качестве препаратов сравнения применяли полифепан (ООО «Сайнтек»), активированный уголь (ЗАО «Медисорб») и микрокристаллическую целлюлозу (ЗАО «Эвалар»). Стандартизацию полисахаридов проводили по среднечисловой и средневесовой молекулярным массам и молекулярно-массовому распределению, массовой доле уроно-вых кислот и кальция.

Эксперименты in vivo выполнены на 33 половозрелых белых нелинейных крысах-самцах массой 130-160 г, которые находились в виварии ИБМ ДВО РАН. Требования к содержанию, выбору и подготовке животных соответствовали принятым рекомендациям. Исследование одобрено этическим комитетом ГБОУ ВПО ТГМУ Минздрава России (Протокол № 5, дело № 32 от 19 апреля 2010 г).

Определение катионсвязывающей активности in vitro проводили в два этапа. На первом изучали кинетику сорбции. Для этого в емкость с магнитной мешалкой помещали 0,25 г сорбента, 10 мл буферного раствора (рН 2,0-6,0), рассчитанный объем 0,1 М раствора металла и воды очищенной до 100 мл. Через определенные промежутки времени отбирали пробы по 10 мл, в которых после фильтрования определяли остаточное содержание металла. На основе полученных данных строили графики зависимости доли сорбированного металла в процентах от времени инкубации, за 100% принимали максимальное значение сорбционной емкости [Мыкоц Л.П. и др., 2010].

На следующем этапе проводилась оценка сорбционной емкости образцов по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути. Для этого в емкость с магнитной мешалкой вносили рассчитанный объем 0,1 М раствора соли металла (Pb(N03)2, Cd(N03)2, Hg(N03)2), 1 мл 0,1 М ацетатного буфера с рН от 2,0 до 6,0 и 10 мл 0,25% суспензии сорбента, объем смеси доводили до 20 мл водой очищенной. Время инкубации при постоянной перемешивании составляло 60-120 мин при температуре 22-

24°С. После инкубации раствор фильтровали через гидрофильный фильтр Omnipore с диаметром пор 5,0 мкм. Определение остаточного содержания металла в жидкой фазе проводили комплексонометрически. Количественный анализ свинца в биологическом материале проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu АА-6800 [SharmaB., Tyagi S„ 2013].

Для статистического анализа и обработки результатов исследования, рассчитывали средние арифметические величины и ошибки средних арифметических. Оценку достоверности различия результатов проводили в сравнении с контролем с применением t-критерия Стьюдента для малых величин (п <30). Для оценки результатов с несколькими выборками использовали метод однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующими проведением post hoc теста Tkuey's. Уровень значимости считали достоверным при Р <0,05. Статистическая обработка результатов была проведена с использованием программного обеспечения SPSS for Windows версия 11.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Получение и стандартизация образцов пектата кальция

Для получения образцов был разработан метод ступенчатого кислотного гидролиза 0,5 М соляной кислотой. Образец №1 получали из высокоэтерифицированного цитрусового пектина путем его щелочной деэтерификации в среде 70% этанола. После нейтрализации среды концентрированной соляной кислотой, пектин переводили в кальциевую соль добавлением эквивалентного количества 1 М раствора кальция хлорида. Полученный осадок пектата кальция отделяли фильтрованием, промывали 70% этанолом и сушили при 80°С.

Образцы №2 и №3 получали из низкоэтерифицированного пектина путем поэтапного кислотного гидролиза его 5% суспензии 0,5 М соляной кислотой при постоянной температуре 90±0,5°С. Перед проведением гидролиза пектат натрия переводили в пектовую кислоту реакцией с 1 М раствором соляной кислоты. На первом этапе гидролиза осадок пектовой кислоты суспендировали в 10-кратном избытке 0,5 М раствора соляной кислоты при температуре 90±0,5°С и интенсивном перемешивании в течение 2 ч. Оставшийся осадок пектина промывали 0,5 М соляной кислотой и подвергали дальнейшему гидролизу в течение еще 2 ч при выше-

описанных условиях. По окончании гидролиза смесь охлаждали, и отделяли жидкую фазу центрифугированием.

Для получения образца № 2 осадок пектина, полученный при центрифугировании, переводили в раствор путем нейтрализации 1 М раствором аммония гидроксида до рН 4,0-5,0 и очищали на ультрафильтрационной мембране Millipore с пределом пропускания 30 кДа при давлении 0,3 МПа. Затем полученный фильтрат пропускали через ультрафильтрационную мембрану 10 кДа. Из раствора, не прошедшего через мембрану 10 кДа, осаждали пектат кальция добавлением 1 М раствора кальция хлорида. Осадок отделяли центрифугированием, промывали 70% этанолом и сушили при 80°С.

Образец № 3 получали из жидкой фазы гидролизатов, которую нейтрализовали 1 М гидроксидом аммония до рН 4,0-5,0 и фильтровали через ультрафильтрационные мембраны Millipore с пределами пропускания 10 и 3 кДа. Фракцию, прошедшую через мембрану 10 кДа и задержанную на мембране 3 кДа, обрабатывали 1 М хлоридом кальция для выделения пектат кальция.

В полученных образцах содержание уроновых кислот определяли фотометрическим методом для фракции менее 20 кДа и титриметрическим методом для остальных фракций, содержание кальция - комплексонометрическим методом. Молекулярную массу образца № 1 оценивали визкозиметрическим методом, образцов № 2 и № 3 - методом эксклюзионной ВЭЖХ на колонке Shodex-AsahipakGS-320 7Е [Макарова К.Е. и др., 2013].

Получение и стандартизация образцов альгината кальция

Образец №1 получали из коммерческого альгината натрия («Sigma», США), для получения олигоуронидов использовали метод ступенчатого кислотного гидролиза исходного альгината натрия. Перед проведением гидролиза его переводили в кислотную форму реакцией с 1 М раствором соляной кислоты. Полученную альгиновую кислоту суспендировали в 10-кратном избытке 0,5 М раствора соляной кислоты при температуре 90±0,5°С и перемешивании в течение 2 ч для удаления гетерогенных участков молекул. По окончании гидролиза смесь охлаждали, и отделяли жидкую фазу от нерастворимого осадка альгиновой кислоты центрифугированием при 2000g 30 мин. Полученный осадок промывали 5-кратным объемом 0,5 М раствора соляной кислоты и отделяли центрифугированием как описано выше.

Для получения образца № 2, осадок альгиновой кислоты подвергали двухчасовому гидролизу. Затем жидкую фазу отделяли центрифугированием. Полученный осадок переводили в раствор реакцией с 1 М раствором аммония гидроксида и пропускали через мембрану МПНроге с размером пор 30 кДа при стабилизированном давлении 0,3 МПа. Полученный фильтрат очищали от низкомолекулярных фракций на мембране с размером пор 10 кДа.

Образец №3 получали из жидкой фазы гидролизата после двухчасового гидролиза образца №2. Жидкую фазу нейтрализовали раствором 1 М гидроксида аммония до рН 4,0-5,0 и подвергали последовательному фракционированию на мембранах с пределами пропускания 10 кДа и 3 кДа при давлении 0,3 МПа. Образцы переводили в кальциевую форму добавлением 1 М кальция хлорида, высушивали при 80°С и стандартизировали как описано выше (Таблица 1).

Таблица 1

Физико-химические характеристики экспериментальных образцов

Наиме- № Наименование показателя

нование Молекулярная масса, кДа со уроно- со каль-

образца Средне- " Средне- Молекулярно-массовое вых ки- ция, %

весовая численная распределение слот, %

Пектат 1 48,6 - - 69,0 7,9

кальция 2 15,5 11,8 12-20 85,2 8,3

3 6,8 6,7 5-10 84,9 8,5

Альги- 1 403,0 - - 77,3 7,25

нат 2 18,0 14,1 11-21 86,2 7,53

кальция 3 8,1 5,5 4-11 85,9 7,98

Металлсвязывающая активность некрахмальных полисахаридов и препаратов сравнения по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути

Данные о связывании катионов металлов использовали для построения изотерм сорбции. Изучение количественных параметров осуществляли с использованием математических моделей Лэнгмюра, Фрейндлиха и Брюне-Эммет-Теллера. Для подтверждения релевантности методов использовали коэффициенты достоверности аппроксимации. Его значения позволили использовать две из них: Лэнгмюра (Я2>0,95) и Фрейндлиха (Я2>0,90).

Исследование влияния рН на сорбционную емкость олигоуронидов проводили в диапазоне от 2,0 до 6,0, при дальнейшем увеличении рН происходило образование нерастворимых в воде гидроксидов свинца, кадмия и ртути, что значительно затрудняло течение сорбционных процессов. При рН ниже 2,0 все некрахмальные полисахариды вне зависимости от молекулярной массы седиментировались и теряли сорбционную активность.

Изучению свинецсвязывающей активности предшествовал выбор оптимального времени взаимодействия металла и сорбентов. Полное равновесие для пектатов и альгинатов кальция устанавливалось через 60 мин взаимодействия с катионами свинца, для препаратов сравнения - через 120 мин.

Эксперименты показали, что снижение молекулярной массы некрахмальных полисахаридов приводило к увеличению максимальной сорбционной емкости по отношению к катионам свинца при всех значений рН. Данный показатель для пектата кальция 6,8 кДа при рН 2,0 превосходил таковой для пектата 48,6 кДа и 15,5 кДа в среднем в 2,7 и в 1,1 раза, при рН 4,0 в среднем в 1,4 и в 1,1 раза, при рН 6,0 в среднем в 1,3 ив 1,1 раза, соответственно. Максимальная сорбционная емкость альгината кальция 8,1 кДа при рН 6,0 превосходила в среднем в 1,2 и в 1,1 раза образцы альгината кальция 403,0 кДа и 18,0 кДа, соответственно, при рН 4,0 в среднем в 1,2 и в 1,1 раза, при рН 2,0 - в среднем в 1,1 и 1,1 раза, соответственно (Таблица 2).

При значении рН 6,0 сорбционная емкость альгината кальция 8,1 кДа была наибольшей среди всех образцов. Сравнение констант Фрейндлиха и Лэнгмюра для образцов, обладающих максимальной свинецсвязывающей активностью, показало, что константы сродства, коэффициенты аффинитета и интенсивности сорбции для альгината кальция 8,1 кДа превосходят аналогичные константы пектата кальция 6,8 кДа.

Во второй серии экспериментов исследовали кадмийсвязывающую активность пектатов кальция, альгинатов кальция и препаратов сравнения. Полное сорбционное равновесие для всех образцов некрахмальных полисахаридов достигалось через 60 мин. Препараты сравнения, за исключением активированного угля при рН 6,0 не проявляли кадмийсвязывающей активности.

Экспериментальные константы Лэнгмюра н Фрейпдлиха для связывания катнопов свинца некрахмалыи>1мн полисахаридами п препаратами сравнения при рН 2,0-6,0

Экспериментальные образцы рн Модель Лэнгмюра Модель Фрейндлиха

Чти, мг/г Ь, л/мг кР N

Пектат кальция 48,6 кДа 2,0 96,51±24,44 0,057±0,039 0,988 36,89±21,34 6,69±2,54 0,901

4,0 435,20±9,76 0,011±0,0011 0,986 24,86±6,63 2,27±0,24 0,973

6,0 493,57± 16,62 0,0060±0,00064 0,992 8,68±0,89 1,62±0,052 0,974

Пектат кальция 15,5 кДа 2,0 241,№±10,98 0,0084±0,0017 0,982 22,77±5,53 2,97±0,35 0,975

4,0 572,56±16,62 0,0060±0,00064 0,986 61,42±15,55 2,90±0,38 0,965

6,0 602,98±5,89 0,015±0,0028 0,991 75,58± 12,68 2,99±0,28 0,956

Пектат кальция 6,8 кДа 2,0 261,00±12,49 0,0077±0,0018 0,983 17,03±4,49 2,53±0,27 0,973

4,0 598,04±31,96 0,010±0,0027 0,972 36,15±2,77 2,30±0,067 0,931

6,0 663,54± 10,57 0,010±0,00064 0,978 37,68±3,04 2,22±0,070 0,901

Альгинат кальция 403,0 кДа 2,0 158Д5±7,41 0,0031±0,00020 0,952 1,99±0,34 1,62±0,081 0,902

4,0 563,47±6,40 0,12±0,010 0,999 245,83±47,78 6,66± 1,45 0,909

6,0 612,64±7,70 0,099±0,0081 0,999 213,81±63,37 5,21 ±1,70 0,909

Альгинат кальция 18,0 кДа 2,0 161,30±8,91 0,010±0,0030 0,976 19,51±4,61 3,28±0,41 0,971

4,0 583,17±25,95 0,020±0,0044 0,983 19,61±4,72 3,18±0,51 0,972

6,0 649,30±25,04 0,016±0,0031 0,995 53,39±12,59 2,39±0,28 0,962

Альгинат кальция 8,1 кДа 2,0 177,10±14,54 0,0098±0,0037 0,974 23,48±6,06 3,52±0,54 0,968

4,0 664,07±28,42 0,027±0,0069 0,995 99,47±27,72 3,15±0,54 0,901

6,0 732,56±22,23 0,029±0,0051 0,990 105,33±47,80 3,00±0,85 0,904

Активированный уголь 2,0 20,85±9,49 0,00030±0,015 0,959 3,32±0,89 4,83±0,72 0,911

4,0 99,63±13,69 0,0044±0,00170 0,960 2,41±0,89 1,89±0,22 0,970

6,0 135,99± 14,08 0,0082±0,00034 0,957 13,24±5,44 3,08±0,67 0,911

Полифепан 2,0 25,05±6,54 0,0078±0,0070 0,954 12,18±2,24 1,25±0,45 0,902

4,0 112,06±5,34 0,017±0,0031 0,986 14,45±1,53 3,28±0,21 0,930

6,0 128,75± 10,04 0,012±0,0044 0,954 12,03±2,43 2,86±0,30 0,901

Микрокристаллическая целлюлоза 2,0 26,55±6,73 0,010±0,0010 0,951 2,99±0,39 3,44±0,52 0,908

4,0 28,40±4,44 0,0058±0,0037 0,972 1,53±0,31 2,46±0,20 0,906

6,0 27,79±2,46 0,25±0,061 0,984 11,30±2,38 8,84±0,54 0,919

Максимальная сорбционная емкость пектата кальция 6,8 кДа превышала таковую для образцов с молекулярной массой 15,5 и 48,6 кДа в среднем в 1,2 и 1,8 раза при рН 6,0, при рН 4,0 - в среднем в 1,4 и 3,3 раза, а при рН 2,0 - в среднем в 1,1 и 1,6 раза, соответственно. Значение максимальной сорбционной емкости альгината кальция 8,1 кДа выше аналогичной величины для образцов с молекулярной массой 18,0 и 403,0 кДа при рН 6,0 в среднем в 1,3 и 2,1 раза, при рН 4,0 - в среднем в 1,3 и 1,8 раза, при рН 2,0 - в среднем в 1,3 и 2,4 раза, соответственно (Таблица 3).

Увеличение рН приводило к росту максимальной сорбционной емкости всех образцов, для пектата кальция 6,8 кДа ее значение при рН 6,0 в среднем в 1,2 и 2,9 раза превосходили этот показатель при рН 4,0 и 2,0, для пектата кальция 15,5 кДа - в среднем в 1,5 и 2,8 раза, для пектата кальция 48,6 кДа- в среднем в 2,2 и 2,5 раза, соответственно. Максимальная сорбционная емкость образца альгината кальция 8,1 кДа при рН 6,0 превосходила данный показатель при рН 4,0 в среднем в 1,58 раза и в среднем в 2,2 раза при рН 2,0. Для альгината кальция 403,0 кДа и 18,0 кДа закономерность сохранялась.

Среди исследованных образцов максимальной сорбционной емкостью по отношению к катионам кадмия обладали альгината кальция 8,1 кДа и пектата кальция 6,8 кДа. Сравнение для этих образцов остальных экспериментальных констант Фрейндлиха и Лэнгмюра показало, что константа сродства, коэффициенты связывающей емкости и интенсивности сорбции альгината кальция 8,1 кДа достоверно превосходили аналогичные параметры пектата кальция 6, 8 кДа.

В третьей серии экспериментов проводили изучение ртутьсвязывающей активности некрахмальных полисахаридов и препаратов сравнения, которая была выявлена у пектинов кальция, альгинатов кальция и активированного угля. Исследования позволило определить оптимальное время инкубации для альгинатов и активированного угля - 60 мин, для пектатов - 40 мин.

Наибольшей сорбционной активностью по отношению к катионам ртути обладал пектат кальция 6,8 кДа при рН 6,0. Данный показатель для образца 15,5 кДа был ниже в среднем в 1,2 раза, для образца 48,6 кДа - в среднем в 1,2 раза. Этот же показатель для альгината кальция 8,1 кДа превосходил показатель сорбции образца 18,0 кДа в среднем в 1,4 раза, образца 403,0 кДа - в среднем в 1,6 раза (Таблица 4).

Экспериментальные константы Лэнгмюра н Фрейндлнха для связывания катионов кадмия некрахмальнымн

полисахаридами и активированным углем при рН 2,0-6,0

Экспериментальные образцы рН Модель Лэнгмюра Модель Фрейндлиха

Чшах, МГ/Г Ь, л/мг К1 кР п ^

Пектат кальция 2,0 71,65±3,91 0,0039±0,00035 0,984 1,59±0,21 1,86±0,085 0,946

48,6 кДа 4,0 81,32±5,36 0,0028±0,00033 0,935 0,88±0,14 1,58±0,073 0,933

6,0 181,77±8,71 0,0042±0,00046 0,969 3,28±0,51 1,73±0,080 0,970

Пектат кальция 2,0 99,65±4,92 0,0064±0,0011 0,961 5,80±0,87 2,49±0,16 0,941

15,5 кДа 4,0 186,87±10,04 0,0022±0,0021 0,956 1,23±0,14 1,43±0,040 0,961

6,0 274,37±22,65 0,003 5±0,00060 0,969 2,73±0,44 1,49±0,067 0,952

Пектат кальция 2,0 112,69±6,15 0,0093±0,0021 0,979 8,24±1,12 2,63±0,17 0,978

6,8 кДа 4,0 269,35±13,71 0,0081±0,0020 0,987 11,69±2,02 2,04±0,075 0,959

6,0 324,84± 16,07 0,0089±0,0044 0,984 13,75±3,47 2,03±0,18 0,970

Альгинат кальция 2,0 70,21±8,34 0,0044±0,0019 0,962 1,80±0,86 1,93±0,27 0,967

403,0 кДа 4,0 135,31±6,23 0,0029±0,00027 0,974 1,50±0,17 1,58±0,048 0,960

6,0 177,75± 10,71 0,0046±0,00073 0,985 3,55±0,56 1,77±0,083 0,972

Альгинат кальция 2,0 122,99±9,30 0,0054±0,0015 0,984 3,50±1,09 1,94±0,19 0,975

18,0 кДа 4,0 186,87±10,04 0,0023±0,0021 0,951 1,23±0,14 1,43±0,040 0,961

6,0 279,98±18,11 0,0034±0,00050 0,979 2,69±0,43 1,48±0,059 0,960

Альгинат кальция 2,0 164,78±6,12 0,013±0,0023 0,987 13,87±1,69 2,70±0,16 0,976

8,1 кДа 4,0 237,30±7,41 0,0091±0,0021 0,993 16,49±3,28 2,51±0,14 0,932

6,0 374,07±16,18 0,018±0,0038 0,991 32,52±9,19 2,56±0,34 0,945

Активированный уголь 2,0 Образец не сорбировал катионы кадмия при данных значения рН

4,0

6,0 19,03±5,27 0,0036±0,00039 0,971 0,26±0,10 1,67±0,38 0,907

Экспериментальные константы Лэпгмюра и Фрейндлиха для связывания катионов ртути некрахмальнымп

полисахаридами II препаратами сравнения при рН 2,0-6,0

Экспериментальные образцы рн Модель Лэнгмюра Модель Фрейндлиха

Чти, мг/г Ь, л/мг Я Кг п

Пектат кальция 2,0 72,77±11,15 0,0049±0,00021 0,956 0,32±0,14 1,39±0,16 0,903

48,6 кДа 4,0 105,38±10,13 0,0041±0,00072 0,956 2,78±0,44 1,98±0,11 0,947

6,0 164,02±11,17 0,0043±0,00074 0,967 3,89±0,68 1,90±0,10 0,964

Пектат кальция 2,0 75,85±11,79 0,0013±0,00050 0,954 2,36±1,00 2,08±0,31 0,898

15,5 кДа 4,0 134,13±9,77 0,0057±0,0013 0,956 3,88±0,50 1,96±0,083 0,815

6,0 176,56±8,28 0,0066±0,0057 0,987 6,44±0,56 2,08±0,050 0,909

Пектат кальция 2,0 86,35±12,95 0,0082±0,0011 0,952 5,44±1,81 2,55±0,39 0,847

6,8 кДа 4,0 158,15± 11,00 0,0079±0,0022 0,985 8Д7±1,42 2,33±0,16 0,889

6,0 202,11±11,39 0,0097±0,0025 0,986 14,39±5,44 2,50±0,39 0,975

Лльгииат кальция 2,0 30,80±2,76 0,013±0,0070 0,958 2,82±0,48 2,81±0,61 0,780

403,0 кДа 4,0 65,92±5,12 0,0060±0,0012 0,952 2,16±0,45 2,01±0,15 0,852

6,0 99,96±6,11 0,0044±0,00046 0,953 2,78±0,87 1,93±0,21 0,930

Альгинат кальция 2,0 47,57±2,58 0,013±0,0045 0,957 6,68±1,92 3,51±0,52 0,889

18,0 кДа 4,0 71,80±5,69 0,014±0,0046 0,963 9,50±0,99 3,40±0,22 0,903

6,0 113,40±7,21 0,0096±0,0023 0,980 8,09±1,52 2,59±0,20 0,965

Альгинат кальция 2,0 52,45±3,47 0,012±0,0041 0,967 5,23±1,34 2,96±0,32 0,809

8,1 кДа 4,0 100,35±7,71 0,010±0,0027 0,978 8,07±1,49 2,71 ±0,24 0,950

6,0 155,33±10,22 0,0083±0,0024 0,979 7,20±2,64 2,19±0,29 0,939

Активированный уголь 2,0 Образец не сорбировал катионы ртути при данных значения рН

4,0

6,0 51,54±7,54 0,0048±0,0020 0,953 1,58±0,05 1,99±0,47 0,903

С ростом рН от 2,0 до 6,0 происходило увеличение максимальной сорбционной емкости у всех исследованных образцов. Ее значение для пектата кальция 6,8 кДа при рН 6,0 превосходило аналогичный показатель при рН 4,0 в среднем в 1,3 раза, при рН 2,0 - в среднем в 2,7 раза, для образца 15,5 кДа в среднем - в 1,3 и 2,3 раза, для образца 48,6 кДа - в среднем в 1,6 и 2,3 раза, соответственно. Ртутьсвязывающая активность альгината кальция 8,1 кДа при рН 6,0 была выше, чем при рН 4,0 в среднем в 1,6 раза, и чем при рН 2,0 в среднем в 3,0 раза. Для образца альгината кальция 18,0 кДа и 403 кДа закономерность сохранялась. Максимальную сорбционную емкость в отношении катионов ртути при рН 2,0-6,0 наблюдали у пектата кальция 6,8 кДа. Для остальных констант сорбции закономерности выявлено не было.

Влияние пектатов кальция и альгинатов кальция на экскрецию свинца у экспериментальных животных

В первой серии экспериментов in vivo оценивали влияние экспериментальных образцов на распределение и экскрецию свинца в органах экспериментальных животных после терапии пектатами кальция и альгинатами кальция с различной молекулярной массой. Для этого крыс массой 130-160 г разделили на группы. Первая группа «Контроль» (4 особи) получала обычную диету. Вторая группа животных «Ацетат свинца 14 дней» (5 особей) получала ацетат свинца в дозе 50 мг/кг массы тела (в пересчете на катионы свинца) один раз в сутки с помощью металлического зонда за час до кормления на протяжении 14 дней эксперимента. Третьей группе (24 особи) в течение 14 дней вводили в желудок ацетат свинца в той же дозе, затем в течение 5 дней животные находились на обычной диете, после чего группа была разделена на подгруппы: «Ацетат свинца 14 + 21 день» (4 особи) находилась на обычной диете, «Ацетат свинца 14 + пектат кальция 48,6 кДа 21 день» (5 особей) получала образец пектата кальция 48,6 кДа, «Ацетат свинца 14 + пектат кальция 6,8 кДа 21 день» (5 особей) - пектата кальция 6,8 кДа, «Ацетат свинца 14 + альгинат кальция 8,1 кДа 21 день» (5 особей) - альгинат кальция 8,1 кДа, «Ацетат свинца 14 + альгинат кальция 403,0 кДа 21 день» - альгинат кальция 403,0 кДа. Образцы пектата кальция и альгината кальция вводились в дозе 150 мг/кг в сутки. Опыты продолжались еще 20 дней. На 40-й день от начала эксперимента животных под легким эфирным наркозом декапитировали.

Во второй серии экспериментов оценивали влияние экспериментальных образцов некрахмальных полисахаридов на экскрецию свинца почками. С этой целью животных из первой серии экспериментов на 10-й, 20-й и 27-й день помещали в индивидуальные обменные клетки (Metabolic cage rats Tecniplast) для оценки суточного диуреза. В полученном биологическом материале определяли содержание свинца.

Количественное содержание свинца в органах крыс, получавших пектат кальция 6,8 кДа, ниже чем в группе, получавшей пектат кальция 48,6 кДа, в печени в среднем в 1,8 раза, в почках в среднем в 1,6 раза, в бедренной кости в среднем в 1,3 раза. В сердце крыс, получавших пектат кальция 6,8 кДа, свинец не обнаруживался, в почках его содержание достоверно ниже в среднем в 3,6 раза, в печени в среднем в 3,3 раза и бедренной кости в среднем в 1,5 раза по сравнению с группой «Ацетат свинца 14 + 21 день».

В группе «Ацетат свинца 14 + альгинат кальция 8,1 кДа 21 день» наблюдалось снижения содержания свинца в печени, почках, сердце и бедренной кости в среднем в 6,3, 5,5, 2,1 и 1,5 раза, соответственно, в сравнении с группой «Ацетат свинца 14 + 21 день» (Таблицы 5-6).

Наиболее эффективно свинец выводился у крыс, получавших альгинат кальция 8,1 кДа, его содержание в печени было ниже в среднем в 1,7, 2,1 и 1,1 раза в сравнении с группами, получавшими альгинат 403,0 кДа, пектат кальция 48,6 кДа и 6,8 кДа, соответственно, в почках в среднем в 1,5, 2,5 и 1,5 раза, соответственно, в бедренной кости в среднем в 1,3, 1,3 и 1,1 раза, соответственно, в сердце в среднем в 1,5 и 1,7 раза, соответственно.

Наблюдалось повышение концентрации свинца в моче у крыс, получавших образец пектата кальция 6,8 кДа, в среднем 1,3 и 1,2 раза на 20-й и 27-й день, соответственно, по сравнению с группой, получавшей пектат кальция 48,6 кДа. В группе «Ацетат свинца 14 + альгинат кальция 8,1 кДа 21 день» содержание свинца в моче было выше в среднем 1,4 и 1,5 в раза на 20-й и 27-й день, соответственно, по сравнению с группой «Ацетат свинца 14 + альгинат кальция 403,0 кДа 21 день» (Таблица 7).

Наибольшей эффективностью в отношении выведения катионов свинца обладал альгинат кальция 8,1 кДа в сравнении с пектатами кальция 6,8 кДа и 48,6 кДа, альги-натом кальция 403,0 кДа и контролем.

Содержание свинца в печени и почках крыс, получавших ацетат свинца (50 мг/кг/сут) и образцы пекрахмальных

полисахаридов различной молекулярной массы (150 мг/кг/сут)

Группа животных п Печень Почки

Концентрация свинца, мкг/г Р Концентрация свинца, мкг/г Р

Контроль 4 Не обнаружено 0,083+0,016

Ацетат свинца 14 дней 5 4,76+0,50 45,49+8,21

Ацетат свинца 14+21 день 4 2,79+0,30 Р <0,05 13,80+1,39 Р <0,05

Ацетат свинца 14+пектат кальция 6,8 кДа 21 день 5 0,84+0,17 Р <0,05 3,88+0,69 Р <0,05

Ацетат свинца 14+пектат кальция 48,6 кДа 21 день 5 1,54+0,23 Р <0,05 6,26+0,97 Р <0,05

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 8,1 кДа 21 день 5 0,75+0,10 Р <0,05 2,53+0,49 Р <0,05

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 403,0 кДа 21 день 5 1,29+0,24 Р <0,05 3,79+0,77 Р <0,05

Таблица 6

Содержание свинца в сердце и бедренной кости крыс, получавших ацетат свинца (50 мг/кг/сут) и образцы пекрахмальных

полисахаридов различной молекулярной массы (150 мг/кг/сут)

Группа животных п Сердце Бедренная кость

Концентрация свинца, мкг/г Р Концентрация свинца, мкг/г Р

Контроль 4 Не обнаружено 2,91+0,48

Ацетат свинца 14 дней 5 1,99+0,25 90,22+8,86

Ацетат свинца 14+21 день 4 1,85+0,27 Р <0,05 83,45+8,22 Р <0,05

Ацетат свинца 14+пектат кальция 6,8 кДа21 день 5 Не обнаружено Р <0,05 56,15+5,57 Р <0,05

Ацетат свинца 14+пектат кальция 48,6 кДа 21 день 5 1,56+0,27 Р <0,05 73,16+6,66 Р <0,05

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 8,1 кДа 21 день 5 0,90+0,11 Р <0,05 54,23+6,47 Р <0,05

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 403,0 кДа 21 день 5 1,38+0,19 Р <0,05 69,96+8,41 Р <0,05

Примечание: Р получено путем сравнения с группой «Ацетат свинца 14+21 день». Примечание: данные представлены в виде

М ± SEM.

Содержание свинца в моче крыс

_Х£УПпа ЖИВОТНЫХ п Концентрация свинца (мкг за сутки)

День эксперимеТГга~----___^_^ 1 Ой Р 20й Р 27й Р

Контроль 4 1,96+0,58 Р <0,05 н/о 1,68+0,45

Ацетат свинца 14+21 день 4 0,81+0,17 Р<0,05* 1,52+0,44 Р<0,05*

Ацетат свинца 14+пектат кальция 6,8 кДа 21 день 5 3,40+0,83 Р<0,05* 3,85+1,17 Р<0,05*

Ацетат свинца 14+пектат кальция 48,6 кДа 21 день 5 2,55+0,86 Р<0,05* 3,32+0,91 Р<0,05*

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 8,1 кДа21 день 5 5,10+1,06 Р<0,05* 6,15+1,12 Р<0,05*

Ацетат свинца 14+альгинат кальция 403,0 кДа 21 день 5 3,77+0,78 Р<0,05* 3,98+0,89 Р<0,05*

Примечание: Р получено путем сравнения с группой «Контроль», Р* получено путем сравнения с группой «Ацетат свинца 14 + 21 день».

Полученные данные о сорбционной активности пектатов кальция и альгинатов кальция с различной молекулярной массой доказывают, что низкомолекулярные полисахариды более эффективно связывают катионы тяжелых металлов в сравнении с высокомолекулярными предшественниками. Этот факт подтверждает наше предположение о том, что уменьшение молекулярной массы полисахаридов увеличит их биодоступность, повышает эффективность фармакологического воздействия и доказывает перспективность дальнейших исследований в это области.

ВЫВОДЫ

1. Кинетика связывания ионов свинца, кадмия и ртути пектином и альгинатом кальция не зависит от молекулярной массы. Сорбционное равновесие между некрахмальными полисахаридами и катионами свинца и кадмия устанавливается через 60 минут. При взаимодействии высокомолекулярного и низкомолекулярного пектата кальция с катионами ртути сорбционное равновесие достигается через 40 минут; при взаимодействии высокомолекулярного и низкомолекулярного альгината кальция с катионами ртути сорбционное равновесие наступает через 60 минут.

2. Металлсвязывающая активность пектинов по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути увеличивается с уменьшением молекулярной массы полисахаридов. Максимальная сорбционная емкость по свинцу, кадмию и ртути у пектата кальция с молекулярной массой 6,8 кДа, рассчитанная с применением математической модели Лэнгмюра, достоверно превышает этот показатель у высокомолекулярного пектата кальция при рН 6,0 в среднем в 1,3, 1,8 и 1,2 раза, соответственно. Значение константы сродства низкомолекулярного пектина к катионам свинца, кадмия и ртути при рН 6,0 превышает этот параметр у высокомолекулярного пектина в среднем в 1,7, 2,1 и 2,3 раза, соответственно.

3. Металлсвязывающая активность альгинатов по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути увеличивается с уменьшением молекулярной массы полисахаридов. Максимальная сорбционная емкость по свинцу, кадмию и ртути у альгината кальция с молекулярной массой 8,1 кДа, рассчитанная с применением математической модели Лэнгмюра, достоверно превышает этот показатель у высокомолекулярного альгината кальция при рН 6,0 в среднем в 1,2, 2,1 и 1,6 раза, соответственно. Значение константы сродства низкомолекулярного альгината к катионам свинца, кадмия и ртути при рН 6,0 превышает этот параметр в сравнении с высокомолекулярным альгинатом в среднем в 1,5, 3,9 и 1,9 раза, соответственно.

4. Максимальная сорбционная емкость пектата кальция с молекулярной массой 6,8 кДа по отношению к катионам свинца при рН 6,0 достоверно выше, чем таковая у активированного угля, полифепана и микрокристаллической целлюлозы в среднем в 4,9, 5,1 и 23,9 раза, соответственно. Максимальной сорбционной емкости альгината кальция с молекулярной массой 8,1 кДа для катионов свинца при рН 6,0 превышает этот показатель у активированного угля, полифепана и микрокристаллической целлюлозы в среднем в 5,4, 5,7 и 26,4 раза, соответственно.

5. В опытах на экспериментальных животных, подвергнутых свинцовой интоксикации, показано, что пектат кальция с молекулярной массой 6,8 кДа и альгинат кальция с молекулярной массой 8,1 кДа усиливают выведение ионов свинца из бедренной кости в 1,3 раза эффективнее, чем высокомолекулярные полисахариды. Суточное выведение свинца с мочой при пероральном применении низкомолекулярных пектата и альгината кальция превышает этот показатель для высокомолекулярных пектата и альгината кальция на 25%.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи:

1. Ковалев В.В., Коленченко Е.А., Макарова К.Е. Исследование кислотного гидролиза высокоэтерифицированного и низкоэтерифицированного пектинов // Тихоокеанский медицинский журнал. 2010. № 2. С. 62-66.

2. Ковалев В.В., Хотимченко М.Ю., Макарова К.Е., Шокур O.A., Хотимченко Ю.С. Разработка наносистем адресной доставки лекарственных средств на основе углеводных биополимеров: связывание дакарбазина, доксорубицина и циклофосфами-да йота-каррагинаном // Перспективные направления развития нанотехнологий в ДВО РАН. Владивосток: издательство «Дальнаука». 2010. Т. 3. С.127-133.

3. Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Ковалев В.В., Хотимченко М.Ю. Сравнительная оценка сорбционной активности альгинатов с различной молекулярной массой и препаратов-энтеросорбентов в отношении катионов свинца in vitro II Теория и практика актуальных исследований: Материалы Международной научно-практической конференции. 17 апреля 2012: Сборник научных трудов. Краснодар.

2012. С. 162-167.

4. Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Хотимченко Р.Ю., Ковалев В.В. Сравнительная свинец-связывающая активность пектинов с различной молекулярной массой in vitro //Тихоокеанский медицинский журнал. 2013. № 2. С. 85-88.

5. Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Ковалев В.В., Подкорытова Е.А., Хотимченко Р.Ю. Альгинаты с различными молекулярными массами как сорбенты ионов кадмия и свинца // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.

2013. Т. 15, № 3 (6). С. 1841-1844.

6. Шокур O.A., Сергеева Н.В., Макарова К.Е. Антикоагулянтная активность фукоидана из бурой водоросли Saccharina japónica in vivo II Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15, № 3 (6). С. 2024-2026.

Тезисы:

7. Коленченко Е.А., Хожаенко Е.В., Хотимченко М.Ю., Макарова К.Е. Связывание стронция альгинатом кальция, пектатом кальция и лекарственными препара-тами-энтеросорбентами // Человек и лекарство: Материалы VII Дальневосточного регионального конгресса с международным участием. Владивосток: Медицина ДВ. 2010. С. 40-41.

8. Коленченко Е.А., Хожаенко Е.В., Хотимченко М.Ю., Макарова К.Е. Сорбция стабильных изотопов церия пектинами с разной степень этерификации и препа-ратами-энтеросорбентами // Человек и лекарство: Материалы VII Дальневосточного регионального конгресса с международным участием. Владивосток: Медицина ДВ. 2010. С. 110-111.

9. Коленченко Е.А., Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Хотимченко М.Ю. Кад-мий-связывающая активность пектинов с разной степенью этерификации и препара-тов-энтеросорбентов in vitro II Материалы 1-ых Международных Беккеровских чтений. Волгоград, 27 - 29 мая 2010. С. 119-121.

10. Хожаенко Е.В., Макарова К.Е., Хотимченко Р.Ю. Пектины с различной молекулярной массой, как энтеросорбенты ионов кадмия в сравнении с лекарственными препаратами // Материалы IV съезда фармакологов России «Инновации в современной фармакологии», г. Казань, 18-21 сентября 2012. С. 192-193.

И. Макарова К.Е. Оценка связывающей активности пектинов различной молекулярной массы в отношении катионов свинца // Медицина в XXI веке традиции и перспективы сборник трудов международной Интернет-конференции. Казань, 1215 Марта 2012. С. 147-150.

12. Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Хотимченко М.Ю. Сравнительна оценка кадмийсвязывающей активности альгинатов и препаратов-энтеросорбентов in vitro II Материалы XX Российского национального конгресса «Человек и лекарство». Москва. 15-19 апреля 2013. С. 377-378.

13. Шокур O.A., Макарова К.Е., Хожаенко Е.В., Хотимченко Р.Ю. Разработка метода получения низкомолекулярных пектинов // Человек и лекарство: Материалы X Дальневосточного регионального конгресса с международным участием. Владивосток: Медицина ДВ. 2013. С. 87-88.

Макарова Ксения Евгеньевна

Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 14.04.2014 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ООО "Литера V", 690091, г. Владивосток, ул. Светланская, 31В e-mail: litera_v@mail.ru

 
 

Текст научной работы по медицине, диссертация 2014 года, Макарова, Ксения Евгеньевна

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тихоокеанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской

Федерации

На правах рукописи

и^-201 456920 Макарова Ксения Евгеньевна

Металлсвязывающая активность низкомолекулярных некрахмальных

полисахаридов

14.03.06 - фармакология, клиническая фармакология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Хотимченко Ю.С.

Владивосток-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Современные методы терапии интоксикаций тяжелыми металлами..............9

1.1. Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и способы ее решения........................................................................................................................................9

1.2. Влияние тяжелых металлов на здоровье человека: острые и хронические отравления............................................................................................................................15

1.3. Терапия и профилактика хронических и острых интоксикаций тяжелыми металлами....................................................................................................................................17

1.4. Получение низкомолекулярных пектинов и альгинатов..............................21

Заключение..............................................................................................................................................................29

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................31

2.1. Характеристика экспериментальных образцов......................................................31

2.2. Получение низкомолекулярных некрахмальных полисахаридов................32

2.2.1. Гидролиз пектинов и альгинатов..........................................................................................32

2.2.2. Получение кальциевых солей пектинов и альгинатов................................33

2.3. Стандартизация образцов пектинов и альгинатов..................................................33

2.4. Определение констант связывания кадмия, свинца и ртути некрахмальными полисахаридами и препаратами сравнения in vitro..........38

2.5. Определение свинца в биологических образцах..................................................41

2.6. Характеристика экспериментальных животных......................................................42

2.7. Статистическая обработка результатов..............................................................................43

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ

НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ НЕКРАХМАЛЬНЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ .. 44

3.1. Получение пектинов....................................................................................................................44

3.2. Получение альгинатов..................................................................................................................47

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕТАЛЛСВЯЗЫВАЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ ПЕКТИНОВ И АЛЬГИНАТОВ ОТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ............................................................................................................. 50

4.1. Свинецсвязывающая активность пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой in vitro...................................................... 50

4.1.1. Кинетика связывания свинца пектинами и альгинатами

с различной молекулярной массой и препаратами сравнения.............. 50

4.1.2. Свинецсвязывающая активность пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой и препаратов сравнения при рН 2,0-6,0 52

4.2. Кадмийсвязывающая активность пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой in vitro............................................... 62

4.2.1. Кинетика связывания кадмия пектинами и альгинатами

с различной молекулярной массой.................................................. 62

4.2.2. Кадмийсвязывающая активность пектинов и альгинатов

с различной молекулярной массой при рН 2,0-6,0....................................... 62

4.3. Ртутьсвязывающая активность пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой in vitro............................................................ 71

4.3.1. Кинетика связывания ртути пектинами и альгинатами с различной молекулярной массой и активированным углем.............................. 71

4.3.2. Ртутьсвязывающая активность пектинов и альгинатов с различной

молекулярной массой и активированного угля при рН 2,0-6,0.............. 73

Глава 5. ВЛИЯНИЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ПЕКТИНОВ

И АЛЬГИНАТОВ НА ЭКСКРЕЦИЮ СВИНЦА

У ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ.................................... 81

ОБСУЖДЕНИЕ........................................................................ 91

ВЫВОДЫ................................................................................ 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 101

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Разработка новых лекарственных средств и поиск сырьевых источников фармацевтических субстанций представляют первостепенную задачу экспериментальной и клинической фармакологии. Актуальность этой задачи подчеркивается тем фактом, что в структуре фармацевтического рынка нашей страны отечественные производители лекарственных препаратов составляют менее 25%, и в ассортименте производимых препаратов крайне незначительна доля современных высокоэффективных лекарств [Хотимченко Ю.С., 2010]. Важным источником новых фармацевтических субстанций и лекарств являются природные соединения, их производные и синтетические аналоги, на основе которых, по разным оценкам, создается от 40 до 70% фармакологически активных веществ [Стоник В.А., Толстиков Г.А., 2008; Satheeshkumar N. et al., 2012; Bilecova-Rabajdova M. et al., 2013; Kaur K. et al. 2014]. Среди этих соединений обращают на себя внимание углеводные биополимеры, составляющие группу некрахмальных полисахаридов, к которым относят альгинаты, фукоида-ны, каррагинаны и хитозаны, содержащиеся в основном в морских гидробион-тах, и пектиновые вещества наземных растений и морских трав [Хотимченко Ю.С. и др., 2005; Caffall К.Н., Mohnen D., 2009; Kumar V. et al., 2012].

Отличительным физиологическим свойством некрахмальных полисахаридов является их устойчивость к действию амилаз экзокринных желез млекопитающих, благодаря чему они не абсорбируются в тонкой кишке и не оказывают резорбтивные эффекты [Plaami S.P., 1997; Walsh М.С. et al., 2012]. Несмотря на это некрахмальные полисахариды обладают широким спектром фармакологических эффектов, таких как гастропротективный [Хасина Э.И. и др., 2003; Крылова С.Г. и др., 2009; Ефимова JI.A. и др., 2010], гепатопротек-тивный [Сонина Л.Н., Хотимченко М.Ю., 2007; LiT.P., 2013; Hua Y. et al., 2014], нефропротективный [Хотимченко М.Ю. и др., 2008а, 2009], гиполипи-демический [Metzger В.Т. et al., 2009; Brouns F. et al., 2012; Jakobsdottir G. et al., 2013], иммуномодулирующий [Tsuji R.F. et al., 2003; Yoshikawa Y. et al., 2008] и некоторые другие. Благодаря низкой токсичности и возможности получения модифицированных производных с более высокой или принципи-

ально новой фармакологической активностью растительные полисахариды рассматриваются в качестве потенциальных фармацевтических субстанций [Laurienzo Р., 2010; Vasile С. et al., 2013; Pomin V.H., Mourao P.A., 2014].

Вместе с тем, из обнаруженных эффектов некрахмальных полисахаридов наибольший интерес вызывает способность, прежде всего, пектинов и аль-гинатов взаимодействовать с тяжелыми металлами с образованием ионно-координационных связей с участием карбоксильных и гидроксильных групп пиранозных циклов уроновых кислот соседних полимерных цепей и катиона металла [Хотимченко Ю.С. и др. 2001а, б; Davis Т.А. et al., 2003а, b; Khotim-chenko M.Y. et al., 2007a, b, 2008a, b, 2010, 2012a, b; Khotimchenko Y.S. et al., 2012]. Это свойство позволяет использовать полиурониды для предупреждения всасывания токсичных металлов из кишечника в кровь и выведения депонированных в организме металлов, в том числе радионуклидов [Савченко О.В., Хотимченко Ю.С., 2002; Khotimchenko M.Y. et al., 2014]. Учитывая тот факт, что нативные полисахариды, выделенные из растений и водорослей, являются крупными молекулами, не способными абсорбироваться в кровь после орального применения, мы предположили, что уменьшение молекулярной массы полисахаридов увеличит их биодоступность и, возможно, повысит эффективность фармакологического воздействия. Для решения этих вопросов необходимо было на первых этапах изучить, как изменяются и в какую сторону фармакологические свойства низкомолекулярных полисахаридов в сравнении с их высокомолекулярными предшественниками.

Цель работы: исследовать металлсвязывающую активность низкомолекулярных пектинов и альгинатов и определить зависимость количественных параметров сорбции металлов от молекулярной массы полисахаридов.

Задачи работы:

1. Модифицировать метод получения низкомолекулярных пектинов и альгинатов.

2. Изучить кинетику связывания катионов свинца, кадмия и ртути низкомолекулярными пектинами и альгинатами и влияние на этот процесс pH реакционной среды.

3. Определить максимальную сорбционную емкость и аффинитет низкомолекулярных пектинов и альгинатов по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути.

4. Провести сравнительный анализ сорбционных характеристик низкомолекулярных и высокомолекулярных пектинов и альгинатов, а также микрокристаллической целлюлозы, полифепана и активированного угля.

5. Исследовать влияние пектинов и альгинатов с различной молекулярной массой на экскрецию катионов свинца в организме экспериментальных животных.

Научная новизна и теоретическое значение работы. В диссертационной работе проведен анализ зависимости сорбционной активности пектинов и альгинатов от их молекулярных масс. Экспериментальным путем in vitro определено влияние молекулярной массы пектинов и альгинатов на количественные параметры процесса сорбции катионов кадмия, свинца и ртути с применением математических моделей Лэнгмюра, Фрейндлиха и Брюне-Эммет-Теллера. Установлено, что с уменьшением молекулярной массы пектинов и альгинатов возрастает их связывающая активность по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути. Наиболее эффективным сорбентом катионов кадмия и свинца является альгинат кальция с молекулярной массой 8,1 кДа, катионов ртути - пектат кальция с молекулярной массой 6,8 кДа. Важное значение для процесса сорбции катионов тяжелых металлов низкомолекулярными пектинами и альгинатами имеет зависимость от рН среды. Альгинат кальция с молекулярной массой 8,1 кДа проявлял наибольший эффект по выведению катионов свинца по сравнению с другими исследованными полисахаридами в экспериментах на животных.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют рекомендовать низкомолекулярные фракции пектинов и альгинатов для более глубокого изучения в качестве потенциальных лекарственных средств с целью выведения тяжелых металлов из организма. Модифицированный метод получения низкомолекулярных полисахаридов путем ступенчатого кислот-

ного гидролиза позволяет получить пектины и альгинаты с молекулярной массой 1-10 кДа и 10-20 кДа, увеличить их выход и предотвратить деградацию полисахаридов за счет увеличения исходной концентрации и снижения времени контакта с гидролизующим агентом. Метод может быть использован для получения новых фармакологических субстанций на основе некрахмальных полисахаридов. Результаты исследования внедрены в учебный процесс на кафедре фармации ГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный медицинский университет» Минздрава России (акт внедрения от 02.12.1 Зг).

Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены на Дальневосточном региональном конгрессе с международным участием «Человек и лекарство» (Владивосток, 2010, 2013), научно-практической конференции «Первые Международные Беккеровские чтения» (Волгоград, 2010), на отчетной конференции в рамках Целевой комплексной программы фундаментальных научных исследований в ДВО РАН на период 2008-2012 гг. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурных материалов» (Владивосток, 2010), на Международной виртуальной интернет-конференции «Медицина в XXI веке: тенденции и перспективы» (Красноярск, 2012), на Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2012), на Съезде фармакологов России «Инновации в современной фармакологии» (Казань, 2012 года), на XX Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 2013).

. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК при Минобр-науки России для публикации основных положений диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие низкомолекулярных полисахаридов с катионами свинца, кадмия и ртути происходит в соответствии с сорбционными моделями Лэнгмюра и Фрейндлиха. При снижении молекулярной массы пектинов и альгинатов увеличивается их связывающая активность по отношению к катионам свинца, кадмия и ртути.

2. Применение низкомолекулярных пектинов и альгинатов достоверно повышает экскрецию катионов свинца у экспериментальных животных по сравнению с высокомолекулярными полисахаридами.

Личный вклад автора. Автором выполнен основной объем работ по обобщению литературных данных по теме диссертации, разработан дизайн экспериментов, спланированы и проведены опыты по установлению металл-связывающей активности in vitro и оценке влияния некрахмальных полисахаридов на экскрецию свинца in vivo, систематизированы, статистически обработаны и проанализированы экспериментальные данные. Метод получения низкомолекулярных полисахаридов модифицирован совместно со старшим научным сотрудником лаборатории фармакологии Института биологии моря им. A.B. Жирмунского ДВО РАН Ковалевым В.В.

Объем и структура диссертации. Диссертация представлена на 128 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, трех глав собственных исследований, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 36 рисунками и 12 таблицами. Библиография состоит из 254 отечественных и зарубежных источников.

9

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Современные методы терапии интоксикаций тяжелыми металлами

1.1. Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и

способы ее решения

Тяжелые металлы занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксиды углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твердые бытовые отходы [Водя-ницкий Ю.К. и др., 2009; Begum А. et al., 2009].

Термин «тяжелые металлы» характеризует широкую группу загрязняющих веществ. В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей среды и экологическому мониторингу, к ним относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, ртуть, свинец, висмут и другие. Наиболее опасными, неразлагающимися элементами, токсичными даже в следовых количествах, согласно Международным пищевым стандартам (Codex Alimentarius), принятым ВОЗ, являются ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, кобальт, ванадий и молибден. В настоящее время в Российской Федерации СанПин 2.3.2.1078-01 нормирует содержание только 4 токсичных элементов: свинца, ртути, кадмия и мышьяка (их относят к первой группе особо опасных веществ) в следствии их токсичности, а также широкого применения в промышленном производстве [Al-Saleha I. et al., 2011; Khanh P. et al., 2012; Великанова H.A. и др., 2012].

Проблема загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов далека от решения как в развивающихся, так и в развитых странах. В РФ густонаселенные, промышленно развитые районы, составляющие около 15% всей территории страны, имеют неудовлетворительное экологической состо-

яние. Удельные показатели негативных воздействий на окружающую среду в расчете на душу населения и единицу валового внутреннего продукта в нашей стране одни из самых высоких в мире [Cherp A. et al.,2003; Shcheglova A.I. et al., 2013]. Эпидемиологические исследования показали, что около 1 млн. детей и взрослых экспонированы к дозам малой интенсивности свинца и ртути, около 44% детей в крупных промышленных центрах могут иметь повышенное содержание токсикантов в крови и около 1,0% нуждаются в неотложном лечении [Окина О.И. и др., 2009; Серегина И.Ф. и др., 2010].

Исследования, проведенные в США с 1970 по 2012 гг. показали, что не смотря на все меры по снижению выбросов свинца в окружающую среду, уровень его содержания в урбанизированных районах остается стабильно высоким [Datko-Williams L. et al., 2014]. Как следствие, более 1 млн. американских рабочих-строителей подвергаются воздействию повышенных доз свинца и других тяжелых металлов [Levin S.M., Goldberg M., 2000]. В крови около 500 тыс. детей в возрасте до 5 лет (4,4% от общего числа детей этого возраста) наблюдается повышенное содержание свинца [Rogan W.J., WareJ.H., 2003].

В Китае загрязнение почв тяжелыми металлами в связи с высокими темпами индустриализации и быстрой урбанизацией приобретает все большие масштабы [Ren W. et al., 2014]. Согласно исследованиям, проведенным в период 2005-2012 гг., содержание мышьяка, кадмия, хрома, меди, никеля, свинца, цинка и ртути превышает нормы Стандартов качества окружающей среды Grade II для почв в Китае (GB15618-1995) в среднем в 6,5, 36,5, 0,4, 2,1, 2,1, 2,1, 4,7, и 7,6 раза соответственно [Li Z. et al., 2014].

Исследования показывают, что содержание свинца, кадмия, меди, цинка и никеля в китайских овощах и