Химия и химические технологии/5. Фундаментальные    проблемы создания новых материалов и технологий

 

Боровикова Л.Н.,  Валуева С.В.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений РАН, Санкт-Петербург, Россия

Спектральные характеристики селен- и селенид- содержащих комплексов с фотодитазином

 

Порфирины обладают рядом ценных свойств: а) преимущественная локализация в быстро пролиферирующих тканях, включая опухолевые новообразования; б) флуоресценция в видимой области спектра; в) фотодинамический эффект; д) тропность порфиринов к опухолям [1]. В настоящее время в ряду порфиринов повышенный интерес вызывает использование производных хлоринового ряда в качестве фотосенсибилизаторов (ФС) для фотодинамической терапии (ФДТ) злокачественных новообразований. Одним из лучших ФС этого ряда является фотодитазин (ФД) - ди-N-метилглюкаминовая соль хлорина е6 - оригинальный отечественный препарат, созданный ООО «Вета-Гранд» [2]. Установлено, что успешное применение ФДТ для лечения опухолей зависит от способности ФС селективно накапливаться в ткани опухоли [3]. Поэтому актуальным направлением исследований является совершенствование лекарственной формы с целью повышения селективности накопления фотодитазина в опухоли и увеличения эффективности ФДТ. В перспективе  создания новых высокоэффективных противоопухолевых препаратов для ФДТ были синтезированы и изучены комплексы на основе наночастиц селенида цинка (ZnSe) и нуль-валентного селена (Se0), стабилизированных ФД. ZnSe является одним из наиболее важных широкозонных полупроводников группы АII-BVI (диапазон пропускания 0.5-22 мкм).  Наночастицы Se0 обладают комплексом уникальных биомедицинских свойств, главным из которых является высокая противоопухолевая активность.

                   Целью работы являлось сравнительное исследование спектральных характеристик новых комплексов на основе наночастиц ZnSe и Se0, стабилизированных  ФД. Эти системы могут служить базовой компонентой для разработки нанотехнологии получения мультифункциональных биологически активных наноструктур.

В работе использовались селенистая и аскорбиновая кислоты («Вектон», Санкт–Петербург). Вещества растворялись в апирогенной воде для инъекций, дополнительно фильтрованной через стеклянный фильтр. Измерения оптической плотности проводились на спектрофотометре «SPECORD M40»  (Карл Цейс Йена, Германия) в диапазоне длин волн 220-800 нм в кварцевых кюветах с толщиной фотометрического слоя 1 см.. Синтез наночастиц селена с ФД осуществлялся в результате реакции (1) между селенистой и аскорбиновой кислотами в присутствии ФД.

                     H2SeO3+  2C6H8O6 →  Se + 3H2O+  2C6H6O6               (1)

Синтез селенида цинка проводился гидротермальным методом при температуре 1800С в результате реакции между  ацетатом цинка (Zn(Ac)2٠2H2O), селенидом натрия и водным гидразином (N2H4٠H2O) (2):

Zn2+ + SeO32- + N2H4OH → ZnSe + H2O + NH3 + 3O2- + N3+   (2)

Для получения комплекса ZnSe/ФД в остывший раствор селенида цинка вводили ФД.

Абсорбционный спектр водных растворов ФД имеет 5 полос поглощения: при λ = 280, 402, 504, 608 и 662 нм. Для спектрального анализа можно использовать все длины волны, но наиболее информативными в нашем случае будут пики  при длинах волн 662  и  402 нм (полоса Соре).

На рис.1 в качестве примера представлена зависимость оптической плотности растворов ФД от его концентрации в диапазоне от  0.17×10-3 до 0.85×10-3  масс. % для  характеристического максимума при λ = 662 нм. Эта зависимость в выбранном диапазоне концентраций имеет линейный характер, что свидетельствует  о  выполнении закона Бугера – Ламберта – Бера [4].  

Рис. 1. Зависимость D662 от CФД

 

На рис. 2 показано сравнение спектров свободного ФД и раствора ФД с ZnSe при фиксированной концентрации ФД (сФД =0.17×10-3 масс. %).  Проведенные расчеты при рассматриваемых длинах волн величин оптического поглощения для водных растворов ФД показывают, что наблюдаемая оптическая плотность смеси ФД и селенида цинка превышает  сумму оптических плотностей отдельных компонентов для всех характеристических максимумов ФД (селенид цинка в исследуемой области не поглощает (рис.3, кривая 1)). При этом сдвига максимумов поглощения не наблюдается (рис.2). Это свидетельствует о том, что образуется комплекс ZnSe/ФД.  При этом увеличение концентрации ФД в растворе приводит к возрастанию оптической плотности поглощения пропорционально концентрации введенного ФД (рис.3, кривые 2-6).

Рис. 2.  Зависимость оптической плотности от длины волны: 1 – для ФД в воде (рН =6.2, сФД =0.17×10-3 масс. %); 2 –  для раствора ZnSe+ФД (рН =8.0, сФД =0.17× 10-3 масс. %).

Рис.3. Зависимость оптической плотности от длины волны для ZnSe  в воде (1) и для растворов ZnSe+ФД (2-6). 2 – сФД =0.17× 10-3 масс. %; 3 – сФД =0.34×10-3 масс. %; 4 – сФД =0.51×10-3 масс. %; 5 – сФД =0.68× 10-3 масс. %; 6 – сФД =0.85×10-3 масс. %.

 

Следует отметить, что разница оптических плотностей свободного ФД и ФД с ZnSe значительна, особенно в области полосы Соре (λ = 402 нм). Происхождение полосы Соре связано с пиррольными кольцами: по уширению или сдвигу этой полосы принято считать, что идет комплексообразование по типу образования металл- порфириновых комплексов [5].   При этом ион металла встраивается в пиррольное кольцо ФД. В нашем случае наблюдается уширение пика и его увеличение по амплитуде (гиперхромный эффект). Таким образом, можно предположить, что диполь селенида цинка встраивается в пиррольное кольцо ФД, что и отражается на изменении в полосе Соре. Относительно интересующей нас с  точки зрения ФДТ длины волны 662 нм (рис. 4),  следует отметить, что введение селенида цинка в раствор ФД при этой длине волны также вызывает гиперхромный эффект. Это обстоятельство можно использовать для усиления эффекта в ФДТ.

 

Рис.4. Зависимость оптической плотности от длины волны для ZnSe  в воде (1) и для растворов ZnSe +ФД (2-6): 2 – сФД =0.17×10-3 масс. %; 3 – сФД =0.34×10-3 масс. %; 4 – сФД =0.51×10-3 масс. %; 5 – сФД =0.68×10-3 масс. %; 6 – сФД =0.85×10-3 масс. %.

На рис. 5 показана зависимость оптической плотности от длины волны  в диапазоне  λ=500-730 нм для системы Se0/ФД. Как и в случае с селенидом цинка, для смеси ФД с селеном по сравнению со свободным ФД наблюдается увеличение оптической плотности, что свидетельствует об образовании комплекса Se0/ФД (в диапазоне 500-720 нм золь селена не поглощает) (рис. 5а).

Рис.5а. Зависимость оптической плотности от длины волны: 1 – для ФД в воде (рН =6.2, сФД =0.17×10-3 масс. %); 2 –  для раствора Se+ФД (рН =3.3, сФД =0.17× 10-3 масс. %).

Рис.5б. Зависимость оптической плотности от длины волны для  Se в воде (1) и для растворов Se +ФД  (2-6): 2 – сФД =0.17×10-3 масс. %; 3 – сФД =0.34×10-3 масс. %; 4 – сФД =0.51×10-3 масс. %; 5 – сФД =0.68×10-3 масс. %; 6 – сФД=0.85×10-3 масс. %.

 

 При этом наиболее интересная картина наблюдается при λ≥660 нм:  помимо гиперхромного эффекта происходит  смещение максимума в коротковолновую область (λmax = 640 нм) - гипсохромный сдвиг, кроме того, при увеличении концентрации ФД в растворе  появляется плечо при λ=660-680 нм. Важно отметить, что  наблюдаемое плечо становится более выраженным при возрастании концентрации ФД в растворе. Гипсохромный сдвиг принято относить на счет кислотности среды: в зависимости от кислотности среды порфирин находится либо в непротонируемой форме (рН>4), либо - в  протонируемой  (рН<4) [6]. В нашем случае для системы  ZnSe/ФД рН = 9.0, а для комплекса Se0/ФД рН=3.3. Это позволяет предположить, что гипсохромный сдвиг в случае системы Se0/ФД связан с эффектом протонирования ФД. Макроцикл ФД, обозначенный с учетом заряда как  Н2(ФД2+), может присоединять один или два протона за счет пирролеиновых атомов (=N-) азота [7]:

Н2(ФД2+) + H+ = Н3(ФД3+)   (I)                 Н3(ФД3+) + H+ = Н4(ФД4+)    (II)     

При сравнении рис. 4 и 5 также обращает на себя внимание  различное поведение комплексов ZnSe/ФД и Se0/ФД в диапазоне длин волн  λ=500-600 нм: величина оптической плотности поглощения комплексов для системы Se0/ФД намного выше, чем с для системы ZnSe/ФД. Это также связано с протонированием ФД в кислой среде.

Выводы:

1.            Методом УФ/видимой-спектроскопии  установлен факт образования комплексов ZnSe/ФД и Se0/ФД, при этом наночастицы  встраиваются в пиррольное кольцо ФД.

2.            Показано, что спектральная картина для изученных селен- и селенид-содержащих комплексов  с ФД сильно отличается как от УФ-спектров отдельных компонентов, так и между собой.

3.            Обнаружено, что присоединение Se0, происходящее в кислой среде, дополнительно вызывает протонирование ФД, что отражается на спектральной картине в диапазоне λ=500-700 нм. 

4.             Полученные комплексы перспективны для создания на их основе фоточувствительных соединений для ФДТ в онкологии.

                        Литература:

1.     Порфирины: спектроскопия, электрохимия, применение. Под. ред. академика Ениколопяна Н.С. М.: Наука, 1987. 233 с.

2.     Пономарев Г.В. и др. Способ получения хлорина e6 (RU 2330037). 2006.

3.     Kim H., Luo Y., Li G., Kessel D. Enhanced apoptotic response to photodynamic therapy after bcl-2 transfection// Cancer Res. 1999. T. 59. P. 3429--3432.

4.     Маракулина К.М., Крамор Р.В., Луканина Ю.К., Козлов М.В., Шишкина Л.Н.  Использование методов УФ- и ИК- спектроскопии для исследования  комплексообразования молекул сфингомиелина с фенольными антиоксидантами// Вестник Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2012.Т.53. №4. С. 261-268.

5.     Порфирины: структура, свойства, синтез. Под. ред. академика Ениколопяна Н.С. М.: Наука, 1985.175 с.

6.     Кропачева Т.Н., Аминова Г.В., Корнев В.И. Влияние поверхностно – активных веществ на кислотно-основные и комплексообразущие свойства катионного водорастворимого порфирина//Вестник удмурдского университета. Физика. Химия. 2011. вып. 2. С. 51-59.

7.   Hambright P. Chemistry of water soluble porphyrins. The Pophyrin Handbook/ ed. K.M. Kadish, K.M. Smith, R. Guilard Academic Press: San Diego. 2000. V. 3. P. 129-206.