In vitro тестирование антирадикальной активности нанобиокомпозитов элементного селена на основе полисахаридной матрицы κ-каррагинана

In vitro testing of the antiradical activity of elemental selenium nanobiocomposites based on the κ-сarrageenan  polysaccharide matrix

Marina Lesnichaya

candidate of chemical Sciences, A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Russia, Irkutsk

Boris Sukhov

candidate of chemical Sciences, A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Russia, Irkutsk

Boris Trofimov

Academician of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Chemistry, Professor, A.E. Favorsky Irkutsk Institute of Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Russia, Irkutsk

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 18-75-00080).

Аннотация. Нанокомпозиты элементного селена синтезированы с использованием стабилизирующей способности природного поли­сахарида κ-каррагинана. Состав и строение полученных нанокомпозитов охарактеризованы современными физико-химическими методами. Детально охарактеризована их антирадикальная активность с привле­чением модельной липофильной радикальной системы ДФПГ.

Abstract. Elemental selenium nanocomposites were synthesized using the stabilizing ability of the natural κ-carrageenan polysaccharide. The composition and structure of the obtained nanocomposites are characterized by modern physicochemical methods. Their antiradical activity has been described in detail with the involvement of the model lipophilic DPPH· radical system.

Ключевые слова: нанокомпозиты; селен; антиоксиданты.

Keyword: nanocomposites; selenium; antiradical activity.

Селен является одним из важнейших элементов необходимых для нормального функционирования животного организма. Он входит в состав ряда незаменимых селенопротеинов, выполняющих в организме целый комплекс жизненно-важных функций, среди которых особую важность имеет функция антиоксидантной защиты клеток от действия ряда агрессивно направленных свободных радикалов [1, 2]. При этом животный организм крайне чувствителен к нарушению гомеостаза селена, реагируя на его дефицит развитием целого ряда заболеваний, таких как экссудативный диатез, некроз печени, болезни Кешана и Кашина-Бека в основе которых лежит нарушение механизмов нейтра­лизации свободнорадикальных процессов происходящих в клетках и инициирование различных клеточных и геномных нарушений [3]. Вследствие этого, мероприятия по профилактике селенодефицита являются чрезвычайно актуальными. Среди известных средств, применяемых для восполнения недостатка селена в организме, наиболее распространены такие соединения как селенит и селенат натрия, а также селенометионин. Однако высокая токсичность неорганических форм селена, а также чрезвычайно высокая реакционная способность селенометионина и других органических соединений селена, приводящая к повреждению клеток лимитирует возможность их биологического применения и стимулирует поиск менее токсичных источников селена. В качестве альтернативы на сегодняшний день представляется возмож­ным использование наночастиц элементного селена (Se⁰NPs), которые, согласно ряду исследований обладают низкой токсичностью, по срав­нению с другими формами селена, наряду с высокой биологической, в частности чрезвычайно важной антиоксидантной активностью [4, 5].

В данной работе представлены результаты по созданию и характеристике состава и строения гибридных нанокомпозитов содержащих в своем составе наночастицы элементного селена стабилизированные природным водорастворимым полисахаридом к-каррагинаном (κ-КГ) с последующей детальной оценкой их антиокси­дантной активности в отношении свободного радикала ДФПГ.

Синтез нанокомпозитов селена, содержащих 0.3-1.5 % Se⁰ осущест­влен в результате окисления в водном растворе (κ-КГ) предварительно полученных селенид-анионов, генерируемых восстановлением товарного элементного селена гидразингидратом в щелочной среде в инертной атмосфере. Выход нанокомпозитов варьировался от 87 до 97 %.

Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии нанокомпозиты формируются в виде наночастиц приблизительно сфери­ческой формы диспергированных в полисахаридной матрице (κ-КГ). Установлено, что увеличение количественного содержания селена в составе нанокомпозитов с 0.3 до 1.5 % приводит к росту среднего размера формирующихся SeNPs с 4.6 нм до 11 нм соответственно, а также уширению их дисперсного распределения. Дифрактограммы полученных нанокомпозитов характеризуются отсутствием четко разре­шимых рефлексов и полностью повторяют дифрактограмму κ-КГ, свидетельствуя о формировании в процессе синтеза наночастиц аморфного селена.

Для оценки общей антирадикальной активности полученных Se⁰‑содержащих нанокомпозитов нами использован доступный свобод­ный радикал ДФПГ. В качестве контроля нами использованы водные растворы известного антиоксиданта, применяемого в биомедицине – аскорбиновой кислоты, а также исходный полисахарид κ-КГ. В экспе­риментах по изучению повреждающего действия синтезированных нанокомпозитов на свободный радикал ДФПГ установлено, что исходный κ-КГ в интервале концентраций 0.25-9.0 мг/мл практически не оказывает на него ингибирующего влияния. Его антирадикальная активность в отношении ДФПГ не превышала 1.9 %, что характери­зует его как вещество с крайне низкой антирадикальной активностью. Тогда как нанокомпозиты Se⁰/κ-КГ в тех же концентрациях проявили выражен­ное антирадикальной действие (до 50 %). Увеличение количест­венного содержания Se⁰NPs в составе нанокомпозитов с 0.3 до 1.5 % сопро­вождалось снижением величины IC_ДФПГ с 9.3 до 4.7 мг/мл, что подтверждает непосредственное участие Se в реакциях ингибирования DPPH (Рис. 1). Антирадикальная активность аскорбиновой кислоты, используемой нами в качестве стандарта, в тех же концентрациях является более высокой и составила 95.4-96.7 %. В связи с опреде­ляющим влиянием Se⁰NPs в составе тестируемых нанокомпозитов на величину антиоксидантной активности и, учитывая небольшое содер­жание селена в составе нанокомпозита (0.3-1.5 %), а также итоговое соотношение молей субстрата и свободного радикала ДФПГ·можно заключить, что обнаруженные величины антиоксидантной активности полученных нанокомпозитов сопоставимы с таковыми для известного антиоксиданта – аскорбиновой кислоты. Так, обнаружено, что для 50 % нейтрализации 3.8·10^-7 моль ДФПГ достаточно 3.5-10.3·10^-7 моль Se⁰, то есть данные величины хорошо соотносятся с IC_50% для аскорбиновой кислоты (9·10^-7 моль)

Рисунок 1. Концентрационная зависимость величины антиоксидантной активности против свободных радикалов ДФПГ исходного κ-КГ - (1) и Se0-содержащих нанокомпозитов: (2) - 0.3 % Se; (3) - 0.6 %Se; (4) - 1 % Se; (5) - 1.5 % Se

В основе антиоксидантного действия композитов Se⁰/κ-КГ предположительно лежит способность селена легко выступать в роли акцептора электрона (в случае реакций одноэлектронного переноса), а также участвовать в окислительно-восстановительных реакциях [6]. При этом большая удельная поверхность наночастиц малого размера характеризуется повышенным количеством активных сайтов связывания на поверхности наночастицы селена, реагирующих со свободными радикалами и нейтрализующих их. Это в совокупности с полученными результатами свидетельствует о выраженной размер-зависимой антиокси­дантной активности Se⁰NPs.