Профессор, д. х. н. Алыков Н. М., к. т. н. Золотарева Н. В., Старикова А. А., Бубнова В. В., Бубнова Н. В., Кудряшова А. Е., Жукова О.С.

Астраханский государственный университет, Россия

Изучение сорбции доксорубицина на углеродных нанотрубках

Антрациклины — важнейшая группа антибиотиков, использующихся в химиотерапии злокачественных опухолей. Они активны также в отношении грамположительных бактерий, грибов и вирусов, но обладают слишком большой токсичностью, в особенности кумулятивной кардиотоксичностью, которая исключает их применение в химиотерапии инфекционных заболеваний [1, 3].

R¹ = OCH₃ R² = ОH

Доксорубицин (адриамицин) – противоопухолевый антибиотик антрациклинового ряда. Оказывает антимитотическое и антипролиферативное действие. Механизм действия заключается во взаимодействии с ДНК, образовании свободных радикалов и прямом воздействии на мембраны клеток с подавлением синтеза нуклеиновых кислот.

Углеродные нанотрубки (УНТ) были получены впервые в 1991 г. Ижимой. Это цилиндрические структуры с диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной несколько микрон, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку графитовых слоев с гексагональной организацией углеродных атомов. Трубки заканчиваются полусферической головкой образованной из половинки фуллерена. В отличие от фуллеренов, которые представляют собой молекулярную форму углерода, УНТ сочетают в себе свойства нанокластеров и массивного твердого тела и тем самым позволяют изменить свойства фуллеренов [2].

Задачей исследования явилось экспериментальное изучение сорбции доксорубицина на углеродных нанотрубках. Согласно результатам поиска по информационным источникам данные исследования не проводились. Была изучена сорбция доксорубицина в статическом и динамическом режимах на поверхности углеродных нанотрубок.

Экспериментальная часть

Оборудование и реактивы. Фотоэлектроколориметр ПЭ – 5400В. Раствор доксирубицина с концентрацией 5∙10^-4 М, углеродные нанотрубки.

Изучение изотерм сорбции. В центрифужные пробирки вносили по 0; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,5 см³ 5∙10^-4 М раствора доксирубицина, доводили объемы до 10 см³ дистиллированной водой. Для построения градуировочного графика измеряли оптические плотности в кювете толщиной 1 см при длине волны 510 нм относительно дистиллированной воды. Далее в пробирки добавили по 0,1 г углеродных нанотрубок, перемешивали 10 мин и центрифугировали при 1500 об/мин. Измеряли оптические плотности осветленных растворов в кювете толщиной 1 см при длине волны 510 нм относительно дистиллированной воды. Опыты проводили при температурах 278 К, 298 К и 313 К.

На рис. 1. приведены результаты изучения оптических плотностей доксорубицина с различными концентрациями при pH 7,0 – 7,2 при температурах 2780,5, 2980,5 и 3130,5 К.

Рис. 1. Зависимость оптической плотности от концентрации до (гг) и после сорбции при температурах 2780,5 (1), 2980,5 (2) и 3130,5 (3) К. Длина волны 510 нм, кювета толщиной 1см, pH раствора 7,0 – 7,2, ионная сила раствора = 0,05 (KCl).

Сорбцию (Г, г/г) рассчитывали по формуле

(1)

где и – соответственно исходная и равновесная концентрации доксорубицина в растворе, моль/дм³; V = 10 см³ – объем раствора, М – молярная масса доксорубицина, г/моль; m – масса сорбента, г.

Рис. 2. Изотермы сорбции по Ленгмюру при 2780,5 (1), 2980,5 (2) и 3130,5 (3) К.

Предельную сорбцию определяли графическим решением уравнения Ленгмюра в прямолинейной форме. Для температур 278 К, 298 К и 313 К рассчитали константы сорбции, а по ним – изменение энтальпии (DН) и изобарно – изотермического потенциала (DG) после сорбции. Результаты расчетов основных характеристик сорбции доксорубицина с использованием нанотрубок приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные термодинамические характеристики адсорбции доксорубицина на углеродных нанотрубках

T, K	Константы сорбции	- DG, кДж/моль	- DS, Дж/моль∙K	- DН, кДж/моль	, г/г
278	1,33	0,7	10	3,5	0,010
298	1,66	1,26	7,5		0,018
313	2,50	2,38	3,5		0,022

Изучение кинетики сорбции. Для этого изучали время, в течение которого из раствора поглощается нанотрубками доксорубицин, т. е. получили кинетические кривые, анализ которых позволил определить реальное время поглощения.

Выполнение эксперимента. В колбу, ёмкостью 250 см³, вносили 10 см³ раствора доксорубицина с концентрацией 5∙10^-4 М. Отбирали в пробирку около 10 см³ этого раствора. В оставшийся раствор вносили 0,7 г сорбента и включали секундомер, быстро перемешивали, секундомер не выключали в течение всего эксперимента. Через 0,33, 0,67, 1, 1,33, 1,67, 3,33, 6, 12 и 24 мин отбирали по 10 см³ растворов и измеряли оптические плотности при 510 нм в кювете толщиной 1 см относительно воды. Опыты проводили при температурах 278 0,5, 298 0,5 и 3130,5 К.

Полученные данные представили на рис. 3. в виде изотерм в координатах «оптическая плотность – время».

Рис. 3. Изотермы кинетики сорбции при 2780,5 (1), 2980,5 (2) и 3130,5(3) К.

По экспериментальным данным, с использованием кинетического уравнения первого порядка, по уравнению (2) рассчитаны значения констант скоростей сорбции:

(2)

где t – время, мин; А₀ – исходные оптические плотности (при t = 0); А_i – оптические плотности, соответствующие времени t_i.

Построив график зависимости ln К от , нашли значение ln pz₀ = 6,50.

Таблица 2

Основные термодинамические характеристики кинетики адсорбции адриамицина на углеродных нанотрубках

T, K	ln pz0	- DS^#, Дж/моль∙К	- Еакт, кДж/моль
278	6,50	78,9	3,837
298		79,5
313		79,8

Результаты опытов и расчетов убедительно свидетельствуют в пользу того что доксорубицин без особых усилий прочно удерживается на нанотрубках. Это означает, что наиболее подходящим вариантом адсорбции доксорубицина на углеродных нанотрубках является его внедрение в полость нанотрубок.

Литература:

1. Овчинников, Ю.А., Биоорганическая химия./ Ю. А. Овчинников. – М.: Просвещение, 1987г. — 815с.

2. Суздалев, И. П., Нанотехнология: Физико – химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов./ И. П. Суздалев. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.

3. Основы биохимии: в 3-х томах. Пер. с англ./Перевод В.П. Скулачева, Л.М. Годмана, Т.В. Марченко; Под ред. и с предисл. Ю.А. Овчинникова./ А. Уайт [и др.]. - М.: Мир, 1981.