Нанокомпозит серебра на основе конъюгата арабиногалактана и флавоноидов, обладающий антимикробным и противоопухолевым действием, и способ его получения

Изобретение относится к медицине, фармакологии и ветеринарии. Предлагаемое средство представляет собой коллоидное серебро, полученное в присутствии арабиногалактана сырца - природного биоконъюгата этого полисахарида и флавоноидов. Средство содержит водорастворимые наночастицы серебра размером 1.7-90.0 нм, стабилизированные арабиногалактаном, и проявляет бактерицидное действие в отношении таких микробов, как Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, грибов Candida albicans, а также обладает противоопухолевой активностью in vivo в отношении перевиваемой карциномы Эрлиха. Изобретение относится также к способу получения этих композитов серебряных наночастиц с арабиногалактаном.

На сегодняшний день предложено большое количество препаратов на основе коллоидного металлического серебра, которые находят широкое применение в медицине как антисептические средства наружного применения. Для стабилизации частиц серебра в этих препаратах используются различные матрицы.

В известных препаратах коллоидного серебра (колларгол и протаргол) стабилизатором высокодисперсных частиц серебра служат белковые полимеры - казеин и желатин [М.Д. Машковский. Лекарственные средства. Т. 2, Новая волна, М., 2000]. Эти препараты из-за наличия в их составе белков непостоянного состава обладают аллергическим действием и не поддаются строгой стандартизации.

В настоящее время в связи с широким распространением антибиотикорезистентности микробов наблюдается усиление интереса к препаратам серебра. Так получены соединения серебра с гистидином, триптофаном и аргинином по реакции комплексообразования [А.С. Казаченко, Е.В. Леглер, О.В. Перьянова и др., Хим.-фарм. журн., 34(5), 34-35, 2000, Е.В. Леглер, А.С. Казаченко, В.И. Казбанов и др., Хим.-фарм. журн., 35(9), 35-36, 2001] с содержанием серебра 40-50%. Эти соединения проявляют антимикробную активность в отношении Staphyllococcus aureus, Candida albigans, Bacillus subtilis и некоторых других бактерий. Однако указанные производные обладают и недостатками:

- плохо растворимы в воде (0,1%);

- наличие аминокислот в составе может вызывать побочные негативные воздействия;

- серебро в них связано с органическим лигандом в виде комплекса.

Взаимодействием полиакриловой кислоты с нитратом серебра получены ее серебряные производные (аргакрил) [М.Г. Воронков, А.С.Коган, Л.М. Антоник и др. Антибактериальные и гемостатические свойства серебряных солей полиакриловой кислоты. Хим.-фарм. журн., 36, №2. 2002. С. 27-29, Патент РФ №2220982], содержащие от 1 до 10% серебра. Они подавляют рост Escherichia coli, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus и некоторых других грамположительных и грамотрицательных бактерий. При этом серебряные соли полиакриловой кислоты имеют:

- чрезвычайно высокую молекулярную массу - 3-10 миллионов Да;

- высокую вязкость;

- неопределенность степени окисления серебра и его дисперсного состояния.

Известно средство, содержащее наноструктурные металлические и бинарные металлические (серебро, медь, железо, никель, кадмий) частицы, полученное путем восстановления ионов металла в системе обратных мицелл, включающего приготовление обратно-мицеллярной дисперсии восстановителя на основе раствора поверхностно-активного вещества в неполярном растворителе [Егорова Е.М., Ревина А.А., Кондратьева B.C. Способ получения наноструктурных металлических частиц. Патент РФ №2147487]. В качестве восстановителя используют вещество из группы флавоноидов, в качестве поверхностно-активного вещества - бис-2-этилгексилсульфосукцинат натрия, а в качестве неполярного растворителя применяют вещество из группы предельных углеводородов (гексан-декан и др.). Средство, полученное этим способом, позволяет увеличить скорость формирования наноструктурных металлических частиц и продлить срок их жизни до 100 дней. Недостатки этого средства заключаются в том, что:

- размерность частиц в патенте не определена,

- частицы существуют только в растворе,

- способ получения является достаточно сложным, многостадийным и дорогостоящим,

- процесс получения требует применения большого набора реагентов и органических растворителей.

Широко используется в медицине в качестве антисептика препарат повиаргол, получаемый путем химической диспергации металлического серебра в присутствии гидрофильного синтетического полимера - поливинилпирролидона, который нетоксичен. Повиаргол [Патент РФ №2088234. 1997. БИ №24. Водорастворимая бактерицидная композиция и способ ее получения. В.В. Копейкин, Е.Ф. Панарин, Ю.Г. Сантурян, З.А. Пашникова, Е.Ф. Прохода, Т.Н. Будникова. Государственный реестр лекарственных средств России, рег. №97/167/7] содержит в своем составе нанокластеры нуль-валентного металлического серебра с размерами 2-4 нм. Препарат легко растворяется в воде с образованием коллоидного раствора, сохраняющего агрегативную устойчивость в течение 2 недель - 6 месяцев. Препарат разрешен к серийному производству и медицинскому применению в качестве бактерицидного средства. Однако способ получения этого средства:

- трудоемок и требует больших энергозатрат, поскольку технология производства предусматривает распылительную сушку;

- имеет ограничение сырьевой базы;

- синтетический полимер увеличивает стоимость препарата.

К природным веществам защитного действия, повышающим устойчивость гидрофобных коллоидных систем, относятся не только лиофильные высокомолекулярные соединения пептидной природы, но и углеводной.

Известны комплексы анионных полисахаридов с серебром [GB 2392913. Cullen В.М., Addison D., Greenhaigh D., Essler A.A complex of an anionic polysaccharide with silver.], представляющие собой соли, сформированные из катиона серебра и анионных полисахаридов - альгинатов, гиалоуронатов, пектинов, производных целлюлозы и др. Также известны покрытия для ран, содержащие в качестве антисептика, наряду с другими, и коллоидное серебро или соль серебра, а из полисахаридов растительного происхождения используются альгинаты, пектины, производные целлюлозы [Патент RU 2193896. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б. Покрытие для ран. 10.12.2002], а также покрытия, включающие в виде полисахаридного компонента гиалуронан, а в качестве антимикробного агента - ионы серебра [US 2002/0068093. Trogolo J.A., Johnston J.B., Pastecki E.A., Pervin Ε., Stahl Α., Hyman M. Bi-laminar, hyaluronan coatings with silver-based anti-microbial properties. 06.06.2002]. Все эти бактерицидные комплексы содержат серебро в ионном виде, но в последнее время предпочтение отдается наиболее эффективным серебросодержащим ультрадисперсным и коллоидным системам, обеспечивающим более высокую бактерицидную активность [Благитко Е.М., Бурмистров В.А., Колесников А.П., Михайлов Ю.И., Родионов П.П. Серебро в медицине. Новосибирск: Наука-центр, 2004, 256 с.].

Следует отметить, что металлические нанокомпозиты на основе природных или синтетических полимеров (например, наночастицы металлической платины в арабиногалактане, или наночастицы металлического серебра в синтетическом полимере - поливинилтриазоле) также могут быть использованы в качестве противоопухолевых средств [Морозкин Е.С. и др. Химия в интересах устойчивого развития. 2013. №2. С. 155-163].

Установлено, что полисахарид арабиногалактан (водорастворимая гемицеллюлоза лиственницы) является эффективным стабилизатором наноразмерных металлических и металлоксидных систем [Александрова Г.П., Медведева С.А., Грищенко Л.А., Сухов Б.Г., Трофимов Б.А. Способ получения наноразмерных металлических и металлооксидных частиц. Патент на изобретение RU №2260500 от 22.03.2004], а, следовательно, может быть использован для получения высокодисперсных препаратов серебра.

Так, наиболее близким к предлагаемому нами средству является препарат, предложенный в патенте [Фадеева Т.В., Александрова Г.П. и др. Средство, обладающее антимикробной активностью. Патент №2278669], представляющий собой высокодисперсные водорастворимые наноразмерные частицы серебра, стабилизированные природным полисахаридом арабиногалактаном, обладающие антимикробной активностью. Достоинствами предлагаемого арабиногалактана как стабилизатора наночастиц являются его природное происхождение, доступность (содержание в лиственнице до 15%), нетоксичность, невысокая молекулярная масса (12000 Да), очень хорошая водорастворимость (до 50%). Получены стабильные водорастворимые структуры, содержащие наноразмерные частицы серебра, увеличено время жизни наноструктурных частиц и показана возможность получения образца в твердом порошкообразном виде. Отличием данного изобретения от выше рассмотренных является использование природного полисахарида арабиногалактана одновременно в качестве реакционной дисперсионной среды и восстановителя ионов серебра до нуль-валентного состояния.

Однако в патенте можно отметить ряд недостатков:

1. Восстановление серебра протекает в сильнощелочной среде (рН=11);

2. Реакцию проводят при нагревании до 90°С (если реакцию проводят без нагревания, содержание серебра составляет всего 3%);

3. Восстановителем серебра при этих условиях является сам арабиногалактан, который в обсуждаемом редокс-процессе подвергается щелочному пилингу и окислению, вследствие чего нарушается его исходная нативная структура.

4. Ничего не известно о противоопухолевой активности получаемого нанокомпозита серебра и арабиногалактана.

Предлагаемый настоящий метод получения нанокомпозита серебра, обладающего антимикробной и противоопухолевой активностью, сохраняет все вышеперечисленные преимущества и устраняет указанные недостатки. Принципиальным отличием настоящего изобретения от вышерассмотренных, в том числе RU 2278669, является использование товарного арабиногалактана-сырца - природного биоконъюгата полисахарида с флавоноидами [Б.Г. Сухов и др. Известия академии наук. Серия химическая. 2014. №9. С. 2189-2194]. В этом случае макромолекулы арабиногалактана выступают исключительно в качестве наностабилизирующей матрицы (не принимающей непосредственного участия в редокс-процессе и поэтому полностью сохраняющей свою исходную нативную структуру), в то время как находящиеся в макромолекулах арабиногалактана высокоактивные восстановители - флавоноиды могут выступать в роли восстановителя катионов серебра до нуль-валентного состояния этого металла [Егорова Е.М., Ревина А.А. Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. №9. С. 1683-1692], что в нашем случае позволяет проводить реакцию в среде с нейтральными значениями рН без нагревания и без деградации молекулы арабиногалактана.

Цель изобретения достигается тем, что к водному раствору арабиногалактана-сырца (природного конъюгата арабиногалактана и флавоноидов) при комнатной температуре (20-25°С) добавляют водный раствор нитрата или ацетата или другой водорастворимой соли серебра с концентрацией соли от 2 до 21% при интенсивном перемешивании. После этого добавляют по каплям 30%-ный водный раствор аммиака до нейтральной реакции. Затем раствор перемешивают в течение 2-х часов и образовавшийся целевой нанокомпозит выделяют осаждением в этанол, осадок отфильтровывают, промывают на фильтре тем же растворителем и сушат в эксикаторе.

Содержание серебра в полученных образцах, определенное элементным анализом, варьирует в пределах 1.3-17.5% в зависимости от условий реакции, в частности, от соотношения соли серебра к полисахариду. По данным рентгено-дифракционного анализа, серебро находится в нуль-валентном состоянии, и размер его наночастиц, в зависимости от параметров синтеза, составляет 1.7-90.0 нм (см. Примеры ниже). Это же подтверждают и данные просвечивающей электронной микроскопии.

Таким образом, целевые нанокомпозиты представляют собой порошки темно-коричневого цвета, которые хорошо растворимы в воде, не растворимы в спирте, ацетоне, эфире и большинстве других мало- и неполярных органических растворителей. Нанокомпозитные порошки агрегативно устойчивы в течение длительного времени, не теряют своих свойств при долговременном хранении и легко могут быть вновь переведены в раствор.

Предлагаемое средство и способ его получения характеризуется следующими преимуществами:

- получение нанокомпозита серебра на основе конъюгата арабиногалактана и флавоноидов отличается простотой в исполнении и экономичностью, не требует большого набора химических реагентов;

- в качестве восстановителя ионов серебра выступают не «осколочные» молекулы, образующиеся при температурной щелочной деструкции макромолекулы полисахарида арабиногалактана, а флавоноиды, входящие в состав арабиногалактана сырца, в связи с чем полученный нанокомпозит на основе конъюгата флавоноидов и арабиногалактана сохраняет природную структуру полисахарида;

- метод позволяет отказаться от щелочной среды реакции и избежать нагревания реакционной смеси, так как протекает при комнатной температуре (20-25°С);

- серебросодержащие нанокомпозиты являются стабильными водорастворимыми порошками и сохраняют свои свойства в течение длительного времени;

- серебро в коллоидных частицах находится в нуль-валентном состоянии;

- нанокомпозит обладает одновременно антимикробной и противоопухолевой активностью.

На рис. 1 представлено типичное фото серебряных наночастиц в арабиногалактановой матрице (получено на просвечивающем электронном микроскопе).

Следующие примеры иллюстрируют изобретение:

Пример 1.

Навеску арабиногалактана-сырца m≈1 г растворяли в 5 мл воды и к нему приливали растворенный AgNO₃ m≈0.04 г в 2 мл воды (2%-ный раствор) при постоянном перемешивании. Затем значение рН доводили до нейтрального 7.0 прибавлением нескольких капель водного раствора аммиака (контроль за значением рН среды вели с помощью иономера ЭВ-74). Реакционная смесь приобретала бледно-коричневый цвет. Раствор выдерживали при перемешивании при комнатной температуре 20-25°С, осаждали нанокомпозит в 25 мл этанола с последующим фильтрованием через воронку Шотта под вакуумом. Осадок промывали на Шотте тем же спиртом и высушивали полученный нанокомпозит в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.

Выход полученного нанокомпозита составил 95% с содержанием в нем серебра 1.3%. Размер наночастиц серебра 1.7-8.0 нм по данным просвечивающей электронной микроскопии. Средний размер наночастиц 5.0 нм.

Пример 2.

Навеску арабиногалактана-сырца m≈1 г растворяли в 5 мл воды и к нему приливали растворенный AgNO₃ m≈0.400 г в 2 мл воды (20%-ный раствор) при постоянном перемешивании. Затем значение рН доводили до нейтрального 7.0 прибавлением нескольких капель водного раствора аммиака (контроль за значением рН среды вели с помощью иономера ЭВ-74). Реакционная смесь приобретала коричневый цвет. Раствор выдерживали при перемешивании при комнатной температуре 20-25°С, осаждали нанокомпозит в 25 мл этанола с последующим фильтрованием через воронку Шотта под вакуумом. Осадок промывали на Шотте тем же спиртом и высушивали полученный нанокомпозит в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.

Выход полученного нанокомпозита составил 95% с содержанием в нем серебра 10.2%. Размер наночастиц серебра 2-25 нм по данным просвечивающей электронной микроскопии. Средний размер наночастиц 6.5 нм.

Пример 3.

Растворяли 0.511 г арабиногалактана-сырца в 2.5 мл воды и смешивали с 0.213 г AgCH₃COO, растворенного в 1 мл воды (21,3%-ный раствор). Затем добавляли по каплям концентрированный водный раствор аммиака до нейтральной реакции. Раствор приобретал темно-коричневый цвет. Затем раствор выдерживали при перемешивании при комнатной температуре 20-25°С, осаждали нанокомпозит в 15 мл этанола с последующим фильтрованием через воронку Шотта под вакуумом. Осадок промывали на Шотте тем же спиртом и высушивали полученный нанокомпозит в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.

Выход полученного нанокомпозита составил 98% с содержанием в нем серебра 10.3%.

Размер серебряных наночастиц 1.7-17 нм по данным просвечивающей электронной микроскопии. Средний размер частиц 5.3 нм.

Пример 4.

Растворяли 2.3 г арабиногалактана-сырца в 10 мл воды и смешивали с 0.810 г AgNO₃, растворенного в 4 мл воды (20,5%-ный раствор). Затем значение рН доводили до нейтрального 7.0 прибавлением нескольких капель водного раствора аммиака (контроль за значением рН среды вели с помощью иономера ЭВ-74). Раствор приобретал темно-коричневый цвет. Затем раствор выдерживали при перемешивании при комнатной температуре 20-25°С, осаждали нанокомпозит в 15 мл этанола с последующим фильтрованием через воронку Шотта под вакуумом. Осадок промывали на Шотте тем же спиртом и высушивали полученный нанокомпозит в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.

Выход полученного производного составил 96% с содержанием в нем серебра 12.5%. Размер частиц 2-90 нм по данным просвечивающей электронной микроскопии. Средний размер частиц 5.3 нм.

Пример 4а.

Растворяли 0.500 г арабиногалактана сырца в 2.5 мл воды и смешивали с 1 мл 20% водного раствора AgNO₃ (0.2 г AgNO₃ в 1 мл Н₂О). Смешав оба раствора, видимых изменений не наблюдали. Приливая по каплям конц. NH₃, реакционную смесь доводили до рН=7.5. После чего проводили однократное высаживание в спирт, фильтровали и высушивали над СаСl₂.

Выход полученного производного составил 82,5% с содержанием серебра 17.5%.

Размер частиц 1.8-24.5 нм. Средний размер частиц 4.9 нм.

Пример 5.

Изучение антимикробного действия полученного серебряного нанокомпозита с содержанием серебра 12.5% проводили методом двукратных серийных разведений на референтных штаммах микроорганизмов, полученных из коллекции микроорганизмов Государственного НИИ стандартизации и контроля медицинских биологических препаратов им. Л.А. Тарасевича (Candida albicans АТСС №24433, Staphylococcus aureus АТСС №25923, Escherichia coli АТСС №25922, Enterococcus faecalis АТСС №22212, Pseudomonas aeruginosa ATCC №27853).

Чувствительность опытных штаммов микроорганизмов к наночастицам серебра определяли in vitro на виноградно-сахарном бульоне (ВСБ) и среде Сабуро (по стандартам МУК 4.21890-04) на основании динамики роста культуры. Антимикробную активность оценивали в диапазоне концентраций от 5% до 0,02% (от 50 мг/мл до 0,1875 мг/мл). Препарат предварительно разводили в ВСБ. Тестируемые штаммы микроорганизмов добавляли по 0,1 мл (0, 6 единиц по стандарту мутности МакФарланда) в 5 мл каждого разведения исследуемого вещества. В качестве контроля роста бактерий в ВСБ использовали образцы, содержащие арабиногалактан-сырец (с флавоноидами) - (AGF); специально очищенный от флавоноидов арабиногалактан (AG) и среду, в которые не добавляли исследуемого вещества. Инкубировали в термостате при 37°С в течение 24 ч., с последующим высевом из каждой пробы на твердые дифференциально-диагностические и селективные питательные среды в зависимости от вида микроорганизма методом «штриха», после чего учитывали наличие или отсутствие роста микроорганизмов и определяли минимальную ингибирующую концентрацию вещества (МИК), подавляющую видимый рост бактерий.

В результате проведенных экспериментов установлено, что серебряный нанокомпозит, полученный с использованием в качестве стабилизирующей матрицы арабиногалактана-сырца (нативного конъюгата полисахарида с флавоноидами), обладает антимикробной активностью в отношении исследуемых штаммов микроорганизмов (таблица 1). В контрольных пробах, а также в пробе, содержащей только конъюгат, и в пробе со специально очищенным от флавоноидов арабиногалактаном, - т.е в отсутствие серебра наблюдается рост тест-культур.

Пример 6.

Изучение противоопухолевой активности нанокомпозита (12.5% Ag) осуществляли в отношении штамма асцитной карциномы Эрлиха, привитой самцам белых мышей с массой тела 20-25 г, разводимых в виварии научно-исследовательского противочумного института Сибири и Дальнего Востока (ветеринарный сертификат 254 №0336050 от 28.07.2010). Культуру перепрививаемого штамма асцитной карциномы Эрлиха приобрели в питомнике Федерального государственного учреждения науки «Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Россия, Новосибирская область, поселок Кольцово), ветеринарный сертификат 254 №0336050 от 28 июля 2010 г.

Животные были разделены на 4 группы. Всем животным внутрибрюшинно вводили культуру перепрививаемого штамма асцитной карциномы Эрлиха в дозе 3×10⁶ клеток в 0,2 мл физиологического раствора. Первой контрольной группе вводили только культуру перепрививаемого штамма асцитной карциномы Эрлиха. Второй группе после перепрививки через 24 часа вводили внутрибрюшино нанокомпозит серебра однократно в дозе 2000 мкг Ag на кг живой массы из расчета 12.5% содержания Ag в препарате, третей группе животных вводили нанокомпозит серебра в дозе 3000 мкг серебра на 1 кг живой массы и четвертой опытной группе вводили нанокомпозит в дозе 4000 мкг серебра на 1 кг живой массы. Все исследования выполнены в соответствии с этическими требованиями по работе с экспериментальными животными, которые изложены в следующих регламентирующих документах: «Хельсинская декларация всемирной медицинской ассоциации» (2000); «Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ» (2005); «правила лабораторной практики» (приложение к приказу министерства здравоохранения Российской Федерации №708 от 23 августа 2010 г.)

День забора материала определяли периодом логарифмического увеличения числа клеток (лог-фаза роста опухоли 7-12 день) после появления опухоли в организме, которым явился 10-й день с момента прививки.

Из результатов, представленных в таблице 2, можно видеть, что наблюдается тенденция к снижению объема асцитной жидкости и количества клеток карциномы в опытных группах по сравнению с контрольной группой. Также отмечается увеличение продолжительности жизни онкобольных мышей. Таким образом, нанокомпозитный препарат серебра подавляет интенсивное развитие ракового процесса и обладает противоопухолевыми свойствами.

Сравнительный анализ между опытными группами показывает, что при введении нанокомпозита серебра в опытной группе №2 в дозе 2000 мкг на 1 кг массы наблюдаются самые хорошие показатели по продолжительности жизни, снижению количества клеток асцитной карциномы Эрлиха, а также самый высокий процент по торможению роста опухоли и увеличению продолжительности жизни.

Таким образом, нанокомпозит серебра обладает противоопухолевым действием на рост карциномы Эрлиха, перевитой внутрибрюшинно самцам мышей при однократном введении. Позитивный эффект при введении нанокомозитного препарата серебра определяется адресной доставкой серебра в онкоклетки при помощи арабиногалактана, что и определяет противоопухолевый эффект.