Композитні системи медичного призначення, створені на основі гідрофобного кремнезему

  • В. В. Туров Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • П. П. Горбик Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • Т. В. Крупська Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • С. П. Туранська Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • В. Ф. Чехун Інститут експериментальної патології, онкології і радіобіології Національної академії наук України
  • Н. Ю. Лук'янова Інститут експериментальної патології, онкології і радіобіології Національної академії наук України
Ключові слова: лектин, композитна система, метилкремнезем, 1Н ЯМР спектроскопія, желатин, сильноасоційована та слабоасоційована вода, кластери води

Анотація

На основі метилкремнезему та білкових молекул – лектину і желатину розроблено композитні системи з певною цитотоксичною (АМ1/лектин) та адсорбційною (АМ1/желатин) активністю. Для обох типів композитів досліджено механізми зв’язування води з поверхнею та способи переведення  гідрофобних матеріалів у водне середовище. Вивчено стан міжфазної води в повітряному, органічному та кислотному середовищах. Встановлено, що наявність в композитах гідрофобної складової стабілізує поверхневу воду в слабо асоційованому стані, коли значна частина молекул води не утворює водневих зв’язків. Рідке гідрофобне середовище підсилює цей ефект, а додана в нього сильна кислота (трифтороцтова) сприяє переходу води в сильноасоційований стан. Показано, що перерозподіл води в міжчастинкових проміжках АМ1 з іммобілізованими на їх поверхні білковими молекулами змінюється під впливом механічних навантажень. Механоактивовані зразки характеризуються можливістю проникнення води в проміжки між первинними частинками метилкремнезему. Показано, що іммобілізація лектину на поверхні АМ1 супроводжується збільшенням міжфазної енергії gS від 4,1 до 5,2 Дж/г. Це відбувається за рахунок збільшення концентрації сильнозв’язаної води. Якщо проаналізувати зміни в розподілах за радіусами R кластерів адсорбованої води, можна констатувати, що в воді, адсорбованій нативними молекулами лектину, присутні два основних максимуми при R = 1 та 3 нм. В іммобілізованому стані максимум при R = 1 нм присутні в обох типах води (різної впорядкованості), проте другий максимум спостерігається лише для більш впорядкованих асоціатів.

Посилання

1. Podgorsky V.S., Kovalenko E.A., Karpova I.S., Sashchuk E.V., Get'man E.I. Extracellular lectins of saprophytic strains of bacteria of the genus Bacillus (review). Applied Biochem. Microbiol., 2014. 50 (3), 256. https://doi.org/10.7868/S0555109914030283

2. Bligh K.G., Dyer W.J. A rapid method of total lipids extraction and purification. Canad J Biochem Physiol, 1959. 37 (8), 911. https://doi.org/10.1139/o59-099

3. Lakhtin V.М., Lakhtin M.V., Pospelova V.V., Shenderov B.A. Lactobacilli and bifidobacteria lectins as possible signal molecules regulating intra- and inter-population bacteria-bacteria and host-bacteria relationships. Part I. Methods of bacterial lectin isolation, physico-chemical characterization and some biological activity investigation. Microbial Ecology in Health and Disease, 2006. 18, 55. https://doi.org/10.1080/08910600600799646

4. Patent UA 131824 UA Chekhun V.F., Didenko G.V., Cheremshenko N.L., et al. Strain of bacteria Bacillus subtilis ІMB В-7724 - producer of cytotoxic substances with antitumor activity. 2019. [in Ukrainian].

5. Podgorsky V.S., Kovalenko E.A., Getman E.I., Potebnya G.P., Tanasienko O.A. Lectin activity of antitumor substances synthesized by Bacillus subtilis B-7025]. Mikrobiol. Z. 2002. 64(5): 10. [in Russian].

6. Vanitha N., Rajan S., Murugesan A.G. Optimization and production of alkaline protease enzyme from Bacillus subtilis 168 isolated from food industry waste. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci., 2014. 3(6), 36.

7. Contesini F.J., Melo R.R., Sato H.H. An overview of Bacillus proteases: from production to application. Crit. Rev. Biotechnol., 2018. 38(3). 321. https://doi.org/10.1080/07388551.2017.1354354

8. Potebnya G.P., Tanasienko O.A., Lisovenko G.S., Savtsova Z.D. Use of cytotoxic lectins of bacterial origin in immunotherapy of experimental tumors. In: Structure and biological activity of bacterial biopolymers. Ed. VK Pozur. (Kiev: Vyd-polygr Center "Kyiv University", 2003. 235).

9. Santos F.S., da Silva M.D.C., Napoleão T.H., Paiva P.M.G., Correia M.T.S., Coelho L.C.B.B. Lectins: Function, structure, biological properties and potential applications Current Topics in Peptide & Protein Research. 2014. 15, 41.

10. Santos A.F.S., Napoleão T.H., Bezerra R.F.E. Carvalho V.M.M., Correia M.T.S., Paiva P.M.G., Coelho L.C.B.B. Strategies to Obtain Lectins from Distinct Sources In book: Advances in Medicine and Biology. 2013. 33

11. Bayer H., Ey N., Wattenberg A., Voss C., Berger M.R. Purification and characterization of riproximin from Ximenia americana fruit kernels. Protein Expres. Purif., 2012. 82, 97. https://doi.org/10.1016/j.pep.2011.11.018

12. Foijer F., Wolthuis R.M.F., Doodeman V., Medema R.H., te Riele H. Mitogen requirement for cell cycle progression in the absence of pocket protein activity. Cancer Cell, 2005. 8, 455. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2005.10.021

13. Coulibaly F.S., Youan Bi-B.C. Current status of lectin-based cancer diagnosis and therapy. AIMS Mol Sci 2017. 4 (1), 1. https://doi.org/10.3934/molsci.2017.1.1

14. Podgorskiy V.S., Kovalenko E.A. Lectin activity of antitumor substances synthesized by Bacillus subtilis B-7025. Microbiology, 2002. 64 (5), 10. [in Russian].

15. Podgorskiy V.S., Kovalenko E.A., Karpova I.S., Sashchuk E.V., Getman E.I. Extracellular lectins of saprophytic strains of bacteria of the genus bacillus (review). Applied Biochemistry and Microbiology, 2014. 50 (3), 256. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S0003683814030120

16. Podgorskiy V.S., Iutinskaya G.A., Pie T.P. Intensification of microbial synthesis technologies. (Kiev Naukova Dumka, 2010). [in Russian].

17. Gorbyk P.P., Dubrovin I.V., Petranovska A.L., Turelyk M.P. Magnetocarried delivery of drugs: contemporary state of development and prospects. Surface, 2010. 2(17), 287. [in Russian].

18. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Abramov N.V., Turanska S.P., Pylypchuk Ye.V., Chekhun V.F., Lukyanova N.Yu., Shpak A.P., Korduban A.M. Problem of targeted delivery of drugs: state and prospects. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni, 2011. 2(4), 433. [in Russian].

19. Petranovska A.L., Abramov M.V., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kusyak N.V., Kusyak A.P., Lukyanova N.Yu., Chekhun V.F. Magnetically sensitive nanocomposites and magnetic liquids based on magnetite, gemcitabine, and antibody HER2. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni.2019. 10(4), 419. https://doi.org/10.15407/hftp10.04.419

20. Petranovska A.L., Kusyak A.R., Korniychuk N.M., Turanskaya S.P., Gorbyk P.P., Lukyanova N.Yu., Chekhun V.F. Antitumor vector systems based on bioactive lectin Bacillus subtilis IIB B-7724. Chemistry, Physics and Surface Technology. 2021. 12(3): 190. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp12.03.190

21. Medical chemistry and clinical application of silicon dioxide. (Ed. A.A. Chuiko). (Kiev: Naukova Dumka, 2003). [in Russian].

22. Turov V.V., Gerashchenko I.I., Krupskaya T.V., Suvorova L.P. Nanochemistry in solving problems of endo- and exoecology. (M.T. Kartel ed.) (Stavropol: Zebra, 2017). [in Russian].

23. Bergna H.E. (Ed) Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (Taylor & Francis LLC, Salisbury, 2005). https://doi.org/10.1201/9781420028706

24. Fedosova N.I., Cheremshenko N.L., Hetman K.I., Simchich T.V., Chumak A.V., Shlyakhovenko V.O., Voeykova I.M., Didenko G.V. Physicochemical and cytotoxic properties of extracellular lectin Bacillus subtilis IMV B-7724. Mikrobiol. Z. 2021. 83(1): 39. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/microbiolj83.01.039 https://doi.org/10.15407/microbiolj83.01.039

25. Thermodynamic properties of individual substances. (Moscow: Nauka, 1978). [in Russian].

26. Turov V.V., Gun'ko V.M. Clustered water and ways of its application. (Kiev: Naukova dumka, 2011). [in Russian].

27. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at interface. (Кiev: Naukova dumka. 2009). [in Russian].

28. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (New York: Taylor & Francis, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202

29. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M. et al. Unusual Properties of Water at Hydrophilic/Hydrophobic Interfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118: 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003

30. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L., Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR, Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3: 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n

31. Petrov O.V., Furó I. NMR cryoporometry: Principles, applications and potential. Progr. NMR Spectroscopy. 2009. 54: 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001

32. Turov V.V., Gun'ko V.M., Turova A.A., Morozova L., Voronin E.F. Interfacial behavior of concentrated HCl solution and water clustered at a surface of nanosilica in weakly polar solvents media, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2011a. 390: 48. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.08.053

33. Gun'ko V.M., Morozova L.P., Turova A.A., Turov A.V., Gaishun V.E., Bogatyrev V.M., Turov V.V Hydrated phosphorus oxyacids alone and adsorbed on nanosilica. J. Colloid and Interface Science. 2012. 368. 263. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.11.018

34. Turov V.V., Chekhun V.F., Gunko V.M., Barvinchenko V.M., Chekhun S.V., Turov A.V. Influence of organic solvents and doxorubicin on clustering of water bound DNA. Chemistry, Physics and Surface Technology. 2010. 1(4): 465. [in Russian].

35. Gun'ko V.M., Turov V.V., Turov A.V. Hydrogen peroxide-water mixture bound to nanostructured silica. Chemical Physics Letters. 2012. 531: 132. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2012.01.090

36. Israelachvili J.N., Pashley R.M. Measurement of the hydrophobic interaction between two hydrophobic surfaces in aqueous electrolyte solutions. J. Colloid Interface Sci. 1984. 98(2): 500. https://doi.org/10.1016/0021-9797(84)90177-2

37. Derjaguin, B.V., Rabinovich, Y.I., Churaev, N.V. Measurement of forces of molecular attraction of crossed fibers as a function of width of air gap. Nature (Lond.) 1977. 265 (5594): 520. https://doi.org/10.1038/265520a0

38. Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Goncharuk O.V., Andriyko L.S., Marynin A.I., Ukrainets A.I., Charmas B., Skubiszewska-Zięba J., Blitz J.P. Influence of hydrophobization of fumed oxides on interactions with polar and nonpolar adsorbates, Appl. Surf. Sci. 2017. 423: 855. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.06.207

39. Turov V.V., Gun'ko V.M., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Tsapko M.D., Charmas B., Kartel M.T. Influence of hydrophobic nanosilica and hydrophobic medium on water bound in hydrophilic components of complex systems. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018. 552(5): 39.  https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2018.05.017

40. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Charmas B. Effect of water content on the characteristics of hydro-compacted nanosilica. Appl. Surf. Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

41. Krupskaya T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.M., Filatova K.O., Suvorova L.A., Gianluca Iraci, Kartel M.T. Influence of the "wetting-drying" compaction on the adsorptive characteristics of nanosilica A-300. Ads. Sci. & Technol. 2018. 36(1-2): 300. https://doi.org/10.1177/0263617417691768

42. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B., Water interactions with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

43. Patent UA 138023. Krupska T.V., Turov V.V., Gun'ko V.M., Kartel M.T. Method of transferring a mixture of hydrophilic and hydrophobic silica into an aqueous medium by using high mechanical loads. 2019. [in Ukrainian].

44. Patent UA 138129. Krupska T.V., Turov V.V., Kartel M.T. Method of converting hydrophobic silica into an aqueous medium by using high mechanical loads. 2019 [in Ukrainian].

45. Gorbik P.P., Turov V.V. Nanomaterials and nanocomposites in medicine, biology, ecology / Ed. A.P. Shpaka, V.F. Chekhun. (Kiev: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

46. Gerashchenko I.I. Enterosorbents: medicines and dietary supplements. (Kiev: NAS of Ukraine. 2014).

47. Nikolaev V., Mikhalovsky S., Gurina N. Modern enterosorbents and mechanisms of the iraction. Efferentnaya Therapiya. 2005. 4:3.

48. European Pharmacopoeia. (Strasbourg, CouncilofEurope, 2005).

49. Muraveva D.A., Samylina I.A., Yakovlev G.P. Pharmacognosy. (Moscow: Medicine, 2002). [in Russian].

50. Gun'ko V.M, Turov V.V, Krupska T.V.,Tsapko M.D. Inter actions of human serum albumin with doxorubicin in different media. Chemical Physics. 2017. 483-484: 26. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2016.11.007

51. Turov V.V., Krupskaya T.V., Golovan A.P., Andriyko L.S., Tsapko M.D., Ostrovskaya G.V., Kalmykova O.A., Kartel N.T. The effect of silica on the hydration of Hibbiscus sabdariffa flowers in neutral and acidic media. Nanosystems, nanomaterials, nanotechnology. 2016. 14(4): 643. [in Russian].

52. Krupska T.V., Golovan A.P., Andriyko L.S., Lupascu T., Ostrovska G.V., Turov V.V. Сomposite systems for medical applications based on methylsilicon and biologically active substances. New Materials, Compounds and Applications. 2018. 2(3): 231.

53. Turov V.V., Krupska T.V., Golovan A.P., Kartel M.T. Composites Systems on the Base of Shredded Flowers of Calendula officinalis and Nanosilica А-300. Reports of NAN of Ukraine. 2017. 4: 76. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.04.076

54. Iler R.K. The Chemistry of Silica. (New York: John Wiley and Sons, 1979)

55. Basic characteristics of Aerosil. (Technical Bulletin Pigments. N 11. Hanau: Degussa AG, 1997).

56. Legrand A.P. The surface properties of silicas. (NewYork: Wiley, 1998).

57. Turov V.V., Gun'ko V.M., Krupska T.V., Kartel M.T. Influence of solid and liquid hydrophobic compounds on characteristics of water located in an adsorption layer of a hydrophilic component of the system. Chemistry, Physics and Surface Technology. 2018. 9(4): 341. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.341

58. Khajeh M., Laurent S., Dastafkan K. Nanoadsorbents: classification, preparation, andapplications (with emphasis on aqueous media). Chem. Rev. 2013. 113: 7728. https://doi.org/10.1021/cr400086v

59. Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. (edited by H.E. Bergna, W.O. Roberts. CRC Press, BocaRaton, 2006).

60. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water interaction with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40):12145 https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110

61. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.V., Krupska T.V., CharmasB. Effect of water content on the characteristics of Hydro-compacted nanosilica. Applied Surface Sci. 2018. 459: 171. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.07.213

62. Patent UA 105151. Krupskaya T.V., Turov V.V., Barvinchenko V.M., Filatova K.O., Suvorova L.A., Kartel M.T. The method of compaction of nanosilicon. 2016. [in Ukrainian].

63. Nelson D., Cox M. Fundamentals of Lehninger's Biochemistry. (Moscow: Laboratory of Knowledge. 1985). [in Russian].

64. Moelbert S., Normand B., De Los Rios P. Kosmotropes and Chaotropes: Modelling Preferential Exclusion, Binding and Aggregate Stability. Biophysical Chemistry. 2004. 112: 45. https://doi.org/10.1016/j.bpc.2004.06.012

65. Wiggins P.M. High and Low density Intracellular Water. Coll. Mol. Biol. 2001. 47: 735.

66. Chaplin M. Water Structuring at Colloidal Surfaces. (Surface Chemistry In. Surface Chemistry in Biomedical and environmental Science.Ed. J. Blitzand V. Gun'ko, NATO Security Through Science Series, Springer. 2006: 1). https://doi.org/10.1007/1-4020-4741-X_1

67. Turov V.V., Gun'ko V.M, Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T. Inter facial behavior of polar and nonpolar frozen/unfrozen liquid sinter acting with hydrophilic and hydrophobic nanosilica salone and in blends. Journal of Colloid and Interface Science. 2020. 588: 70. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.12.065

Опубліковано
2021-11-28
Як цитувати
Туров, В. В., Горбик, П. П., Крупська, Т. В., Туранська, С. П., Чехун, В. Ф., & Лук’янова, Н. Ю. (2021). Композитні системи медичного призначення, створені на основі гідрофобного кремнезему. Поверхня, (13(28), 246-275. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.246
Розділ
Медико-біологічні проблеми поверхні