VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Молекулярная биофизика. Структура и динамика биополимеров и биомакромолекулярных систем

Новые биокатализаторы на основе цистеиновых протеаз в комплексе с микро- и наночастицами хитозана

М.Г. Холявка1*, С.С. Гончарова1, Ю.А. Редько1, М.С. Лавлинская1, А.В. Сорокин1, С.М. Панкова1, В.А. Королева1, Д.С. Пайметьева1, В.Г. Артюхов1

1.Воронежский государственный университет;

* kholyavka(at)bio.vsu.ru

Микро- и наноразмерные материалы находят широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, в том числе в биомедицине. Они широко используются для создания инновационных форм лекарственных средств, способных адресно доставлять и порционно высвобождать во времени биологически активные вещества. Из-за большой площади раздела фаз микро- и наночастицы характеризуются высокими значениями загрузки лекарственной субстанцией, что позволяет рационально использовать препарат и снижать его токсическое действие. Для таких фармацевтических форм остро стоит проблема выведения препарата из организма, связанная со стерической невозможностью прохождения частиц многих полимеров через почечные канальцы. Одним из возможных решений является создание микро- и наночастиц на основе биодеградируемых носителей, способных метаболизироваться в организме человека и выводиться из него без каких-либо затруднений. К наиболее перспективным полимерам этого типа относится хитозан.

Хитозан и его производные обладают уникальными свойствами в качестве носителей для различных ферментов, применяемых в фармацевтической промышленности. Низкая стоимость, доступность, антимикробная активность, биоразлагаемость и адгезивные свойства делают хитозан перспективным носителем для доставки лекарств. Хитозан является биосовместимым и практически не вызывает побочных реакций при контакте с клетками человека.

В качестве объектов исследования были выбраны фицин, папаин и бромелин (Sigma, США), микро- и наночастицы получали из среднемолекулярного (200 кДа) и высокомолекулярного (350 кДа) хитозанов (ЗАО «Биопрогресс», Россия).

Методики получения микро- и наночастиц хитозана, а также их комплексов с протеазами подробно описаны в работах [1-3]. Размеры микро- и наночастиц измеряли на приборе Nano Zetasizer ZS (Malvern Instruments, США). Обратный рассеянный свет от He/Ne-лазера мощностью 4 мВт (632.8 нм) собирали под углом 173°.

Стабильность комплексов ферментов с микро- и наночастицами оценивали после инкубации в 0.05 М трис-HCl буфере с pH 7.5 при 37 °С в течение 7 суток путем измерения протеолитической активности образцов через 1, 4, 8, 24, 48, 72, 96, 120, 144 и 168 ч по количеству окрашенного продукта реакции в результате расщепления субстрата азоказеина [4].

Установлено, что ассоциаты фицина, папаина и бромелина с частицами средне- и высокомолекулярного хитозанов, полученными в присутствии аскорбиновой кислоты, существенно отличаются по размерам от ассоциатов с частицами, сформированными без аскорбиновой кислоты. При взаимодействии частиц хитозана с ферментом размеры ассоциатов существенно превышают размеры свободных частиц.

Активность комплексов фицина с наночастицами средне- и высокомолекулярного хитозанов оказалась выше по сравнению с комплексами микрочастиц средне- и высокомолекулярного хитозанов на 8 и 5 % при формировании частиц в отсутствие аскорбиновой кислоты и соответственно на 9 и 13 % при получении частиц в присутствии аскорбиновой кислоты.

При создании комплексов папаина с микрочастицами средне- и высокомолекулярного хитозанов без добавления аскорбиновой кислоты ферментативная активность уменьшилась не более чем на 8 % по сравнению со свободным папаином, при комплексообразовании в присутствии аскорбиновой кислоты активность папаина увеличилась на 18 и 10 % соответственно. При образовании ассоциатов папаина с наночастицами, сформированными в присутствии аскорбиновой кислоты, его каталитическая способность увеличилась на 3 % для среднемолекулярного хитозана и на 16 % для высокомолекулярного хитозана.

Активность комплексов бромелина с наночастицами средне- и высокомолекулярного хитозанов оказалась выше по сравнению с комплексами микрочастиц средне- и высокомолекулярного хитозанов на 5 и 7 % при получении частиц в отсутствие аскорбиновой кислоты и соответственно на 9 и 8 % при получении частиц в присутствии аскорбиновой кислоты.

Образование комплексов цистеиновых протеаз с микро- и наночастицами средне- и высокомолекулярного хитозанов, полученными как без, так и с добавлением аскорбиновой кислоты, приводило к стабилизации протеолитической активности образцов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №21-74-20053)

1. Королева В.А., Холявка М.Г., Ольшанникова С.С., Артюхов В.Г. / Получение комплексов фицина с наночастицами хитозана и оценка их стабильности по уровню удельной ферментативной активности // Биофармацевтический журнал. – 2018. – Т. 10. – № 4. – С. 58-62.

2. Ольшанникова С.С., Редько Ю.А., Лавлинская М.С., Сорокин А.В., Холявка М.Г., Артюхов В.Г. / Получение комплексов папаина с микрочастицами хитозана и оценка их стабильности по уровню ферментативной активности // Химико-фармацевтический журнал. – 2021. – № 11. – С. 51-55.

3. Редько Ю.А., Ольшанникова С.С., Холявка М.Г., Лавлинская М.С., Сорокин А.В., Артюхов В.Г. / Разработка методики получения ассоциатов бромелина с микро- и наночастицами хитозана // Химико-фармацевтический журнал. – 2022. – Т. 56, № 7. – С. 45-49.

4. Baidamshina D.R., Koroleva V.A., Trizna E.Yu., Pankova S.M., Agafonova M.N., Chirkova M.N., Vasileva O.S., Akhmetov N., Shubina V.V., Porfiryev A.G., Semenova E.V., Sachenkov O.A., Bogachev M.I., Artyukhov V.G., Baltina T.V., Holyavka M.G., Kayumov A.R. / Anti-biofilm and wound-healing activity of chitosan-immobilized Ficin // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020. – V. 164. – P. 4205–4217.

New biocatalysts based on cysteine proteases in a complex with chitosan micro- and nanoparticles

M. Holyavka1*, S. Goncharova1, Yu. Redko1, M. Lavlinskaya 1, A. Sorokin 1, S. Pankova 1, V. Koroleva 1, D. Paimetieva 1, V. Artyukhov 1

1.Voronezh State University;

* kholyavka(at)bio.vsu.ru

Micro- and nanoscale materials are widely used in various fields of human activity including biomedicine. They are widely applied to create innovative forms of medicines capable of targeted delivery and controlled release of biologically active substances. Due to the large surface area, micro- and nanoparticles are characterized by high drug substance loading, which makes it possible to rationally use the drug and reduce its toxic effect. For such pharmaceutical forms, the problem of excretion of the drug from the body is acute, associated with the steric impossibility of the passage of particles of many polymers through the renal tubules. One of the possible solutions is the creation of micro- and nanoparticles based on biodegradable carriers that can be metabolized in the human body and excreted from it without any difficulties. Chitosan is one of the most promising polymers of this type.

Chitosan and its derivatives have unique properties as carriers for various enzymes used in the pharmaceutical industry. Low cost, availability, antimicrobial activity, biodegradability, and adhesive properties make chitosan a promising carrier for drug delivery. Chitosan is biocompatible and practically does not cause adverse reactions when in contact with human cells.

Ficin, papain, and bromelain (Sigma, USA) were chosen as objects of study; micro- and nanoparticles were obtained from medium-molecular-weight (200 kDa) and high-molecular-weight (350 kDa) chitosan (Bioprogress, Russia).

Methods for obtaining micro- and nanoparticles of chitosan, as well as their complexes with proteases, are described in detail in [1-3]. The sizes of micro- and nanoparticles were measured on a Nano Zetasizer ZS device (Malvern Instruments, USA). Backscattered light from a 4 mW He/Ne laser (632.8 nm) was collected at an angle of 173°.

The stability of enzyme complexes with micro- and nanoparticles was evaluated after incubation in 0.05 M Tris-HCl buffer with pH 7.5 at 37°C for 7 days by measuring the proteolytic activity of samples after 1, 4, 8, 24, 48, 72, 96, 120, 144 and 168 h according to the amount of the colored reaction product as a result of the cleavage of the azocasein substrate [4].

It has been established that the associates of ficin, papain, and bromelain with particles of medium and high molecular weight chitosan obtained wuth ascorbic acid differ significantly in size from associates with blank particles. During the interaction of chitosan particles with the enzyme, the sizes of associates significantly exceed the sizes of free particles.

The activity of ficin complexes with nanoparticles of medium and high molecular weight chitosan turned out to be higher compared to complexes of microparticles of medium and high molecular weight chitosan by 8 and 5% when particles were formed without ascorbic acid and by 9 and 13%, respectively, when particles were formed with ascorbic acid.

When creating complexes of papain with microparticles of medium and high molecular weight chitosan without ascorbic acid, the enzymatic activity decreased by no more than 8% compared to free papain; when complexed in the presence of ascorbic acid, the activity of papain increased by 18 and 10%, respectively. In the formation of associates of papain with nanoparticles formed with ascorbic acid, its catalytic ability increased by 3% for medium molecular weight chitosan and by 16% for high molecular weight chitosan.

The activity of bromelain complexes with nanoparticles of medium- and high-molecular-weight chitosan turned out to be higher compared to complexes of microparticles of medium- and high-molecular-weight chitosan by 5 and 7% when obtaining particles without ascorbic acid and, respectively, by 9 and 8% when obtaining particles with ascorbic acid.

The complexes formation of cysteine proteases with micro- and nanoparticles of medium and high molecular weight chitosan, obtained both without and with the addition of ascorbic acid, led to the stabilization of the proteolytic activity of the samples.

The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 21-74-20053)



1. Koroleva V.A., Holyavka M.G., Olshannikova S.S., Artyukhov V.G. / Formation of ficine complexes with chitosan nanoparticles with a high level of proteolytic activity // Russian Journal of Biopharmaceuticals. – 2018. – Vol. 10. – No 4. – P. 58-62.

2. Ol'shannikova S.S., Red'ko Yu.A., Lavlinskaya M.S., Sorokin A.V., Holyavka M.G., Artyukhov V.G. / Preparation of papain complexes with chitosan microparticles and evaluation of their stability using the level of enzyme activity // Parmaceutical Chemistry Journal. – 2021. – Vol. 11. – P. 51-55.

3. Red'ko Yu.A., Ol'shannikova S.S., Holyavka M.G., Lavlinskaya M.S., Sorokin A.V., Artyukhov V.G. / Development of method for obtaining bromelain associates with chitosan micro and nanoparticles // Parmaceutical Chemistry Journal. – 2022. – Vol. 56, No 7. – P. 45-49.

4. Baidamshina D.R., Koroleva V.A., Trizna E.Yu., Pankova S.M., Agafonova M.N., Chirkova M.N., Vasileva O.S., Akhmetov N., Shubina V.V., Porfiryev A.G., Semenova E.V., Sachenkov O.A., Bogachev M.I., Artyukhov V.G., Baltina T.V., Holyavka M.G., Kayumov A.R. / Anti-biofilm and wound-healing activity of chitosan-immobilized Ficin // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020. – V. 164. – P. 4205-4217.



Докладчик: Холявка М.Г.
470
2023-01-06

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists