Водорастворимые магнитоактивные нанобиокомпозиты флавоноидных комплексов гадолиния на основе природного конъюгата арабиногалактана с биофлавоноидами и способ получения этих нанобиокомпозитов

Изобретение относится к новым водорастворимым нанокомпозитам, представляющим собой наночастицы металлокомплексных соединений биофлавоноидов, содержащихся в арабиногалактане-сырце, и Gd(III), инкапсулированные в макромолекулы арабиногалактана. Арабиногалактан-сырец является природным конъюгатом арабиногалактана и биофлованоидов. Предложенный нанокомпозит представлен в виде стабильных водорастворимых порошков с размером наночастиц комплексов гадолиния 1-100 нм и содержанием гадолиния в композите 0.8-9.1%. Также предложен способ получения водорастворимых нанокомпозитов. Предложенные нанокомпозиты обладают магнитными свойствами, а именно, высокой способностью сокращать время магнитной релаксации протонов воды, а также устойчивы в течение длительного времени, не теряют своих свойств при хранении и легко могут быть переведены в водный раствор. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 6 пр.

 

Изобретение относится к новым водорастворимым композитным магнитным материалам на основе наночастиц комплексов гадолиния и биофлавоноидов, инкапсулированных в макромолекулы природного полисахарида арабиногалактана, а также к способам получения этих магнитных наноматериалов из возобновляемого природного сырья.

Нанокомпозиты содержат водорастворимые магнитные наночастицы металлокомплексов биофлавоноидов и гадолиния(III) размером 1-100 нм, стабилизированные макромолекулами арабиногалактана, и получаются одностадийно при смешивании водных растворов соли гадолиния(III) и товарного арабиногалактана-сырца, представляющего собой природные нековалентные конъюгаты этого полисахарида и биофлавоноидов.

Заявленное решение относится к областям химии, материаловедения, а также к биомедицинской тераностике (параллельной терапии и диагностике) и может быть использовано для создания новых композиций с высокими магнитными характеристиками в виде полимерных радиопоглощающих покрытий, источников упругих колебаний с частотой управляющего переменного магнитного поля (например, для генерации ультразвука, в том числе, в теле живого организма), а также в виде водных растворов, применяемых в качестве многоцелевых магнитных жидкостей, в частности, магнитоконтрастных препаратов для повышения контрастности изображений живых организмов с использованием магнито-резонансной томографии (МРТ). В случае МРТ-диагностического выявления патологии, у этих препаратов имеется также возможность параллельного нейтронозахватного терапевтического воздействия на патогенную мишень за счет нахождения в составе препарата гадолиния, который имеет наивысшую эффективность захвата нейтронов среди всех химических элементов, или гипертермии за счет контролируемого разогрева магнитных наночастиц под действием переменного магнитного поля. Кроме того, новые магнитные препараты обладают свойством намагничивания во внешнем магнитном поле, следовательно, их можно перенаправлять и концентрировать градиентным магнитным полем ЯМР томографа непосредственно у диагностической и терапевтической мишени, тем самым значительно увеличивая информативную деталировку диагностики, а также эффективность терапевтического нейтронозахватного или гипертермического воздействия на мишень при минимальной общей дозе введения в организм потенциально токсичного гадолиния.

Известна способность парамагнитных ионов гадолиния(III) в водном растворе значительно увеличивать скорость ядерной магнитной релаксации протонов воды. За счет этого резко увеличивается контрастность изображения при биомедицинской МРТ диагностике. Однако, простые неорганические соли обладают небольшой релаксационной эффективностью за счет высокой вращательной подвижности свободного парамагнитного иона гадолиния, соответственно, для достижения в этом случае магнитоконтрастирующего диагностического эффекта требуются большие дозы гадолиния, что сопряжено с высокой опасностью для организма этого потенциально высокотоксичного тяжелого металла.

Введение объемных хелатирующих органических лигандов в координационное окружение иона гадолиния позволяет замедлить вращение получающегося парамагнитного металлокомплексного гадолиний-содержащего иона и таким образом увеличить релаксационную эффективность, следовательно, снизить эффективную дозу, и, соответственно, токсическую нагрузку гадолиния на организм при одинаковой релаксационной эффективности. Так, известен контрастный препарат для МРТ на основе комплексной соли гадолиния и диэтилентриаминпентауксусной кислоты [Пат. РФ 2150961. Магниторезонансная контрастная композиция]. Его недостатком является все еще относительно небольшая релаксационная эффективность, следовательно, достаточно большая доза введения в организм токсичного гадолиния для достижения диагностического эффекта.

Самоассоциация в воде металлокомплексов гадолиния на основе объемных гидрофобных лигандов также приводит к снижению вращательной подвижности металлокомплексных гадолиний-содержащих самоассоциатов, и как следствие – к повышению релаксационной эффективности магнитоконтрастирующих средств [Пат. РФ 2242477. Перфторалкилсодержащие соединения, способ их получения (варианты) и фармацевтическое средство, содержащее указанные соединения; Lattuada L., Lux G. Synthesis of Gd-DTPA-cholesterol: a new lipophilic gadolinium complex as a potential MRI contrast agent // Tetrahedron Letters. 2003. V.44. P.3893-3895]. Основными недостатками аналогов являются сложность и многостадийность синтеза как лигандов, так и самих металлокомплексов, а также необходимость выделения и очистки всех (как целевых, так и промежуточных) соединений.

Использование наиболее объемных - полимерных лигандов в окружении ионов гадолиния приводит к еще более значительному снижению их вращательной подвижности, соответственно, к увеличению релаксационной эффективности получаемых препаратов. Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, являются комплексные соединения гадолиния с гетероатомными высокомолекулярными лигандами [Пат. РФ 2197495. Комплексы каскадных полимеров, содержащее их диагностическое контрастное средство и промежуточные соединения]. Сущность технического решения, предложенного в прототипе, является использование оригинальных, специально синтезируемых комплексообразующих азотосодержащих полимеров для получения многоионных гадолиниевых полимерных комплексов большой молекулярной массы (от 10 000 до 80 000 Да), что приводит к высокой релаксационной эффективности. Недостатками являются многостадийность и сложность синтеза как комплексообразующих полимеров (полимерных лигандов), так и собственно полимерных многоионных гадолиниевых комплексов, что требует целого набора сложного специализированного экспериментального оборудования, а также значительных материальных и трудовых затрат.

Задачей заявленного технического решения является рациональное - одностадийное создание новой нанокомпозитной магнитоактивной металлокомплексной гадолиниевой системы, объединяющей достоинства самоассоциированных металлокомплексов гадолиния и высокомолекулярных гадолиниевых многоионных координационных соединений, а также лишенной большинства вышеперечисленных недостатков.

Сущность заявляемого решения заключается в том, что в качестве источников хелатирующих комплексообразующих лигандов, а также полимерной матрицы, стабилизирующей образующиеся самоассоциированные в наночастицы комплексы гадолиния, предлагается использовать товарный арабиногалактан-сырец – природный биоконъюгат этого полисахарида и биофлавоноидов [Сухов Б.Г. и др. Известия академии наук. Серия химическая. 2014. № 9. С. 2189-2194; Пат. РФ № 2611999. Нанокомпозит серебра на основе конъюгата арабиногалактана и флавоноидов, обладающий антимикробным и противоопухолевым действием, и способ его получения; Пат. РФ № 2614363. Средство, обладающее противоопухолевой активностью на основе нанокомпозитов арабиногалактана с селеном, и способы получения таких нанобиокомпозитов]. Цель изобретения достигается тем, что к водному раствору арабиногалактана-сырца при комнатной температуре (20 - 25 ⁰С) добавляют водный раствор соли гадолиния(III) 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, ацетон, другой смешивающийся с водой органический растворитель, осадок отфильтровывают, промывают на фильтре тем же растворителем и сушат в эксикаторе (примеры 1-5).

При описываемом смешивании водных растворов арабиногалактана-сырца и соли гадолиния(III) находящиеся в макромолекулах арабиногалактана биофлавоноиды приходят в контакт с катионами гадолиния и хелатно координируются на них, как это имеет место в случае подобного комплексообразования гамма-пиронов и других флавоноидов с неокисляющими катионами металлов [Муха С.А. и др. Синтез и свойства металлохелатов на основе природного γ-пирона – мальтола. Химия в интересах устойчивого развития. 2007. Т. 15, № 4. С. 457-466; Sukhov B.G. et al. Nonlinear-optical bis(3-hydroxy-2-methyl-4h-pyran-4-onato) complexes of metals. Mendeleev Communication. 2007. V. 17, No 3. P. 154-155; Sukhov B.G. et al. Stereoactive lone pair of electrons on bismuth(III): tris(3-hydroxy- 2-methyl-4h-pyran-4-onato)bismuth(III). Arkivoc. 2008. V. 2008, No 8. P. 139-149; Муха С.А. Новые аспекты химии и физико-химии мальтола и его металлосодержащих комплексов. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2008; Столповская Е.В. Синтез биологически активных комплексных соединений на основе дигидрокверцетина – продукта глубокой переработки древесины лиственницы. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2015]. Однако, в нашем случае комплексообразование происходит непосредственно в полостях макромолекул арабиногалактана, где находятся хелатирующие лиганды - молекулы биофлавоноидов, и образующиеся нерастворимые в воде молекулы хелатных металлокомплексов гадолиния и биофлавоноидов самоассоциируются в наночастицы, которые автоматически оказываются инкапсулированными в полостях макромолекул арабиногалактана (рис. 1, 2). Принципиальным отличием от вышеупоминаемых изобретений [Пат. РФ № 2611999, Пат. РФ № 2614363] является реализация в процессе получения нанокомпозитов исключительно стадии комплексообразования с неокисляющим катионом гадолиния(III) при отсутствии окислительно-восстановительной стадии, то есть в заявляемом случае молекулы биофлавоноидов не расходуются на восстановление металла наночастиц, а полностью входят в состав металлокомплексных наночастиц в качестве лигандов гадолиния(III). Действительно, наличие в ИК спектре полученных нанокомпозитов полосы при 1628-1642 см^-1 скоординированного на металл карбонила флавоноидов, а также в УФ спектре полосы в интервале 230-400 нм ароматических колец скоординированных в металлокомплексе флавоноидов свидетельствует о сохраняющемся присутствии в нанокомпозите молекул флавоноидов, однако, уже скоординированных на ионы металла [Муха С.А. и др. Синтез и свойства металлохелатов на основе природного γ-пирона – мальтола. Химия в интересах устойчивого развития. 2007. Т. 15, № 4. С. 457-466; Муха С.А. Новые аспекты химии и физико-химии мальтола и его металлосодержащих комплексов. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2008; Столповская Е.В. Синтез биологически активных комплексных соединений на основе дигидрокверцетина – продукта глубокой переработки древесины лиственницы. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2015].

Содержание гадолиния в полученных образцах, определенное элементным анализом и рентгеновским энергодисперсионным микроанализом, варьируется в пределах 0.8-9.1 массовых % в зависимости от исходного соотношения соли гадолиния к арабиногалактану-сырцу (примеры 1-5). По данным просвечивающей электронной микроскопии, размеры металлокомплексных наночастиц составляют 1-100 нм (рисунки 1, 2).

Установлено, что новые нанобиокомпозиты уже при комнатной температуре являются магнетиками с очень большой шириной сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) ΔH ≈ 2000 Гс (примеры 1-5, рисунок 3).

Детализирована также способность полученных нанобиокомпозитов значительно сокращать в водном растворе время магнитной релаксации Т1 протонов воды, что является главной характеристикой при использовании подобных водорастворимых магнитных субстанций в МРТ (пример 6). Так, время релаксации Т1 протонов дистиллированной воды равно 570 мс, однако, после растворения в ней полученного нанокомпозита это время Т1 становится равным 15 мс, то есть сокращается в 38 раз (пример 6). Еще сильнее - в 350 раз сокращается время релаксации Т1 остаточных протонов дейтерированной воды D₂O: с 2800 мс до 8 мс после растворения в ней того же самого нанокомпозита (пример 6).

Таким образом, целевые нанокомпозиты представляют собой магнитные порошки светло-кремового цвета, которые хорошо растворимые в воде, не растворимые 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 водный раствор.

Предлагаемые магнитоактивные нанокомпозиты и способ их получения характеризуется следующими преимуществами:

- в качестве источников комплексообразующих хелатирующих лигандов, а также полимерной матрицы, стабилизирующей образующиеся самоассоциированные в наночастицы металлокомплексы гадолиния и флавоноидов, используется товарный арабиногалактан-сырец (уже содержащий в своем составе макромолекулы этого полисахарида и молекулы хелатирующих лигандов - биофлавоноидов);

- получение композита с наночастицами флавоноидных комплексов гадолиния на основе природного конъюгата арабиногалактана и биофлавоноидов отличается простотой в исполнении и экономичностью, так как состоит из одной стадии, протекает при комнатной температуре (20-25 ⁰С) и не требует предварительного получения каких-либо дополнительных реагентов (комплексообразующих лигандов или полимеров);

- гадолиний-содержащие магнитные нанокомпозиты являются стабильными водорастворимыми порошками и сохраняют свои свойства в течение длительного времени.

На рисунке 1 представлено фото наночастиц хелатных комплексов биофлавоноидов и Gd(III), инкапсулированных в макромолекулы арабиногалактана, с минимальным содержанием Gd 0.8 массовых % (получено на просвечивающем электронном микроскопе).

На рисунке 2 представлено фото наночастиц хелатных комплексов биофлавоноидов и Gd(III), инкапсулированных в макромолекулы арабиногалактана, с максимальным содержанием Gd 9.1 массовых % (получено на просвечивающем электронном микроскопе).

На рисунке 3 представлен типичный спектр ЭПР полученных нанокомпозитов.

Следующие примеры иллюстрируют изобретение.

Пример 1.

Навеску арабиногалактана-сырца (нековалентный конъюгат арабиногалактана и биофлавоноидов: полоса при 1641-1729 см^-1 в его ИК спектре относится к карбонильным группам флавоноидов, полосы в интервале 230-430 нм в УФ спектре относятся также к оптическому поглощению ароматических колец флавоноидов) массой 1.00 г растворяли в 3 мл воды и к полученному раствору прикапывали растворенный GdCl₃•6H₂O m = 0.02 г в 2 мл воды при постоянном перемешивании. Затем значение pH 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. Смесь перемешивали при комнатной температуре (20-25 ^оС) в течение 2 часов. Осаждали нанокомпозит в 100 мл ацетона с последующим фильтрованием через воронку Шотта под вакуумом. Осадок промывали на Шотте тем же растворителем и высушивали полученный нанокомпозит в эксикаторе над безводным хлористым кальцием.

Выход полученного нанокомпозита составил 98 % (в пересчете на взятый гадолиний) с содержанием в нем гадолиния 0.8 массовых %.

Наличие в ИК спектре этого нанокомпозита полосы при 1628-1642 см^-1 скоординированного на металл карбонила флавоноидов, а также в УФ спектре - полосы в интервале 230-400 нм ароматических колец скоординированных в металлокомплексе флавоноидов [Муха С.А. и др. Синтез и свойства металлохелатов на основе природного γ-пирона – мальтола. Химия в интересах устойчивого развития. 2007. Т. 15, № 4. С. 457-466; Муха С.А. Новые аспекты химии и физико-химии мальтола и его металлосодержащих комплексов. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2008; Столповская Е.В. Синтез биологически активных комплексных соединений на основе дигидрокверцетина – продукта глубокой переработки древесины лиственницы. Дис. канд. хим. наук. Иркутск. 2015] свидетельствует о сохраняющемся присутствии в нанокомпозите молекул флавоноидов, однако, уже скоординированных на ионы металла.

Полученный нанокомпозит содержит в спектре ЭПР широкий сигнал (ДH = 2015±20 Гс, g_эф = 2.11).

Пример 2.

Получение и охарактеризацию нанокомпозита проводили аналогично примеру 1, но брали увеличенную навеску GdCl₃•6H₂O до m = 0.13 г.

Выход полученного нанокомпозита составил 97 % (в пересчете на взятый гадолиний) с содержанием в нем гадолиния 4.9 массовых %.

Полученный нанокомпозит содержит в спектре ЭПР широкий сигнал, как в примере 1, но большей интенсивности.

Пример 3.

Получение и охарактеризацию нанокомпозита проводили аналогично примеру 2, но вместо хлорида гадолиния(III) использовали 0.25 г нитрата гадолиния(III).

Выход полученного нанокомпозита составил 95 % (в пересчете на взятый гадолиний) с содержанием в нем гадолиния 7.8 массовых %.

Полученный нанокомпозит содержит в спектре ЭПР широкий сигнал, как в примере 1, но большей интенсивности.

Пример 4.

Получение и охарактеризацию нанокомпозита проводили аналогично примеру 2, но вместо хлорида гадолиния(III) использовали 0.20 г сульфата гадолиния(III).

Выход полученного нанокомпозита составил 97 % (в пересчете на взятый гадолиний) с содержанием в нем гадолиния 3.8 массовых %.

Полученный нанокомпозит содержит в спектре ЭПР широкий сигнал, как в примере 1, но большей интенсивности.

Пример 5.

Получение и охарактеризацию нанокомпозита проводили аналогично примеру 2, но вместо хлорида гадолиния(III) использовали 0.22 г ацетата гадолиния(III).

Выход полученного нанокомпозита составил 94 % (в пересчете на взятый гадолиний) с содержанием в нем гадолиния 9.1 массовых %.

Полученный нанокомпозит содержит в спектре ЭПР широкий сигнал, как в примере 1, но большей интенсивности.

Пример 6.

В 2 мл воды (или дейтерированной воды D₂O) растворяли 0.036 г нанокомпозита с содержанием гадолиния 7.8 массовых % и определяли время релаксации Т1 протонов воды (или остаточных протонов дейтерированной воды D₂O) на ЯМР спектрометре Bruker DPX-400 по стандартной методике «инверсия - восстановление сигнала».

Время Т1 снижалось с 570 мс до 15 мс для дистиллированной воды, и с 2800 мс до 8 мс для дейтерированной воды.

1. Водорастворимые нанокомпозиты, представляющие собой наночастицы металлокомплексных соединений биофлавоноидов, содержащихся в арабиногалактане-сырце (природном конъюгате арабиногалактана и биофлованоидов), и Gd(III), инкапсулированные в макромолекулы арабиногалактана, обладающие магнитными свойствами, в частности высокой способностью сокращать время магнитной релаксации протонов воды, в виде стабильных водорастворимых порошков с размером наночастиц комплексов гадолиния 1-100 нм и содержанием гадолиния в композите 0.8-9.1 %.

2. Способ получения водорастворимых нанокомпозитов по п.1, включающий взаимодействие водного раствора соли гадолиния с водным раствором арабиногалактана-сырца (природного конъюгата арабиногалактана и биофлавоноидов) в присутствии водного раствора аммиака для создания нейтральной среды при комнатной температуре 20-25°С, последующее осаждение в ацетон, или этанол, или другой смешивающийся с водой органический растворитель и фильтрование.