Дисперсные системы, возникающие при разведении в водном растворе белковых наночастиц (в частности, антител к интерферону-γ), являются интересными объектами для наблюдения белок-индуцированных кластеров, а также трансформации их позиционного порядка под влиянием внешних воздействий при изменении концентрации раствора [1]. Так как терапевтическая эффективность многих лекарственных средств лимитируется интенсивностью процессов переноса зарядов ионами и электронами, которые определяются особенностями ближнего порядка молекулярных комплексов, для их изучения может быть использован метод каналирования медленных ионов или электронов [2]. Этот подход реализован в методе газоразрядной визуализации (ГРВ), в котором регистрируются картины свечения воздуха, окружающего каплю раствора, через которую проходят эмитируемые металлическим электродом электроны, имеющие энергию, достаточную для ионизации воздуха – см. [3, 4] и литературу там же. Свечение воздуха представляет картину стереографических проекций следов движения электронов через объемную часть капли раствора и её поверхность. Полученные картины дают возможность оценки геометрических параметров молекулярных комплексов, формирующих каналы облегченного движения, зарядового состояния водных ассоциатов, их ближнего порядка.

В работе методом газоразрядной визуализации изучен характер изменений позиционного порядка в расположении белок-индуцированных водных ассоциатов в водных растворах таблетированных лекарственных препаратов, содержащих антитела к интерферону-γ. В качестве объектов исследования использовали водные растворы таблетированных форм, которые были получены нанесением растворов антител (концентрацией 10-24 мг/мл) на носитель (89 % сырьевой лактозы, 10 % микрокристаллической целлюлозы, 1 % стеарата магния). Образцы представлены компанией ООО НПФ «Материа Медика Холдинг». Исследования выполнены на приборе «ГРВ-камера» медицинского назначения. Параметрический анализ картин газоразрядного изображения растворов, выполненный с использованием программы GDV Scientific Laboratory [3], позволил определить следующие параметры, характеризующие особенности состояния каналов облегченного движения электронов и, как следствие, параметры молекулярных ассоциатов, образующих стенки каналов: энтропию (по Шенону) Si, отображающую специфику пространственного расположения и конфигурацию ближнего порядка молекулярных ассоциатов; фрактальность по изолинии Fi, определяемую уровнем пространственного самоподобия, лимитируемого спецификой процессов самоорганизации в растворе; длину изолинии L, пропорциональную свободной энергии Гиббса [5].

Анализ концентрационных зависимостей отклонений перечисленных параметров для растворов, содержащих белковые антитела, от аналогичных параметров для очищенной воды показал следующее. С ростом концентрации вещества таблетированных образцов наблюдается линейное увеличение энтропии. При этом относительные изменения энтропий ΔSi для образцов с антителами превышают изменения ΔSi для растворов, их не содержащих. Это указывает на специфическое влияние антител на пространственное расположение водных ассоциатов в растворах, что находится в согласии с концентрационным изменением параметра фрактальности по изолинии Fi. Повышение концентрации антител в растворе обеспечивает интенсификацию кооперативных межмолекулярных взаимодействий между водными ассоциатами. Это может быть связано со специфической структурной организацией раствора на микроуровне, лимитирующей процессы самоорганизации [5]. Следовательно, несмотря на низкую концентрацию антител в растворах (около 10-24 мг/мл), недостаточную для существенных изменений в его материально-энергетическом балансе, наличие молекулярных комплексов растворителя обеспечили формирование специфических водных ассоциатов, изменяющих свободную энергию Гиббса. С учетом изменений энтропии, активация растворов антителами к интерферону-γ связана с интенсификацией ассоциативных процессов, сопровождающихся упорядочением белок- индуцированных молекулярных комплексов [6]. Полученные результаты свидетельствуют о сохранении в растворах таблетированных образцов с антителами к интерферону водных ассоциатов, сформированных в процессе сверхвысокого разведения [7].



Литература



1. Epstein Oleg. The Spatial Homeostasis Hypothesis // Symmetry. 2018. Vol. 10. Issue 4. Art. No. 103. DOI: https://doi.org/10.3390/sym10040103.

2. Высоцкий В.И., Карлаш А.Ю. Особенности селективного транспорта и каналирования ионов в водной среде в каналах биологических мембран // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейронные исследования. 2010. № 12. С. 64.

3. Коротков К.Г. Принципы анализа ГРВ биоэлектрографии. Санкт-Петербург: Реноме, 2007. 286 с.

4. Шипко М.Н., Степович М. А., Сибирев А.Л., Мельникова О.С., Смирнова А.И., Усольцева Н.В. Ориентационные эффекты при каналировании киловольтных электронов в жидких средах // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Т. 84. № 7. С. 994. DOI: 10.31857/S0367676520070273.

5. Эпштейн О.И. Феномен релиз-активности и гипотеза пространственного гемеостаза // Успехи физиологических наук. 2013. Т. 44. № 3. С. 54.

6. Elena Don, Natalie Van der Meide, Valery Egorov, Mikhail Putilovskiy, Sergey Tarasov. The level of natural anionantibodies to IFN-gamma in varicella infection treated with antiviral drug Anaferon for children: A pilot Stady // Immunology Letters. 2020. Vol. 222. P. 90. DOI: 10.1016/j.imlet.2019.10.015.

7. Масленникова О.М., Шипко М.Н., Сибирев А.Л., Степович М.А. Особенности белок-индуцированных ассоциатов при сверхвысоком разведении антител к интерферону-γ // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2022. Т. 7. № 3. С. 467.

Dispersed systems that arise when protein nanoparticles, particularly interferon gamma (IFN-γ) antibodies, are diluted in an aqueous solution, are interesting objects for observing protein-induced clusters, as well as the transformation of their positional order under the influence of external factors with a change in solution concentration [1]. Since the therapeutic efficacy of many drugs is limited by the intensity of the charge transfer processes by ions and electrons, which are determined by the features of the short-range order of molecular bindings, the method of channeling slow ions or electrons can be used to study them [2]. This approach can be implemented with gas-discharge visualization (GDV), that captures patterns of air luminescence surrounding a drop of solution, through which electrons, emitted by a metal electrode, pass, having a sufficient amount of energy to ionize the air – look [3, 4] and literature there. The air glow represents a picture of stereographic projections of electron movement traces through the bulk part of a solution drop and its surface. The patterns obtained enable estimating the geometric parameters of molecular bindings that form channels of facilitated movement, the charge state of water associates, and their short-range order.

In this work, GDV was used to study the nature of changes in the positional order in the arrangement of protein-induced water associates in aqueous solutions of pharmaceutical tablets containing IFN-γ antibodies. The objects of the research are the aqueous solutions of tablet forms, obtained by applying antibody solutions with a concentration of 10-24 mg/ml onto a carrier with 89% raw lactose, 10% microcrystalline cellulose, 1% magnesium stearate. The samples are provided by "Materia Medica Holding LLC", a private pension fund. The studies were conducted on a GDV-camera for medical purposes. The parametric analysis of gas-discharge image patterns of solutions, performed using the GDV Scientific Laboratory software [3], made it possible to determine the following parameters describing the state of the facilitated electron movement channels and, therefore, the parameters of molecular associates that form the walls of the channels: entropy (Si) (Claude Shannon), which reflects the specifics of the spatial arrangement and configuration of the short-range order of molecular associates; fractality along the isoline (Fi), determined by the level of spatial self-similarity, limited by the specifics of self-organization processes in solution; isoline length (L), which is proportional to the Gibbs free energy [5].

An analysis of the concentration dependences of the deviations of the listed parameters for solutions containing protein antibodies on similar parameters for purified water showed the following. With an increase in the concentration of the substance of the tableted samples, a linear increase in entropy can be observed. Meanwhile, the relative entropy changes (ΔSi) for samples with antibodies exceed the changes of ΔSi for solutions that do not contain them. This indicates a specific effect of antibodies on the spatial arrangement of water associates in solutions, which agrees with the concentration change in the fractality parameter along the Fi isoline. An increase in the concentration of antibodies in the solution ensures the intensification of cooperative intermolecular interactions between water associates. This may be due to the specific structural organization of the solution at the microlevel, which limits the processes of self-organization [5]. Therefore, despite the low concentration of antibodies in the solutions (near 10-24 mg/ml), which is insufficient for significant changes in its material and energy balance, the presence of solvent molecular bindings ensured the formation of specific water associates that change the Gibbs free energy. Considering the changes in entropy, the activation of solutions by antibodies to IFN-γ is linked to the intensified associative processes, accompanied by the ordering of protein-induced molecular bindings [6]. The results obtained indicate the preservation in solutions of tableted samples with antibodies to interferon of water associates formed during the ultrahigh dilution [7].



References



1. Epstein Oleg. The Spatial Homeostasis Hypothesis // Symmetry. 2018. Vol. 10. Issue 4. Art. No. 103. DOI: https://doi.org/10.3390/sym10040103.

2. Vysotsky V.I., Karlash A.Yu. Features of selective transport and channeling of ions in the aquatic environment in the channels of biological membranes // Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2010. No. 12. P. 64. (in Russian)

3. Korotkov K.G. Analysis principle GDV. St. Petersburg: Renome, 2007. 286 pages. (in Russian)

4. Shipko M.N., Stepovich M.A., Sibirev A.L., Melnikova O.S., Smirnova A.I., Usoltzeva N.B. Orientational Effects of Kilovolt Electron Channeling in Liquid Media // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020. Vol. 84. No. 7. P. 820. DOI: https://doi.org/10.3103/S1062873820070266.

5. Epstein O.I. The Phenomenon of Release Activity and the Hypothesis of Spatial Homeostasis // Success in Physiological Sciences. 2013. Vol. 44. No. 3. P. 54. (in Russian)

6. Elena Don, Natalie Van der Meide, Valery Egorov, Mikhail Putilovskiy, Sergey Tarasov. The level of natural anionantibodies to IFN-gamma in varicella infection treated with antiviral drug Anaferon for children: A pilot Stady // Immunology Letters. 2020. Vol. 222. P. 90. DOI: 10.1016/j.imlet.2019.10.015.

7. Maslennikova O.M., Sibirev A.L., Shipko M.N., Stepovich M.A. Features of protein-induced associates at superhigh dilution of antibodies to Interferon-γ // Russian Journal of Biological Physics and Chemistry. 2022. Vol. 7. No. 3. P. 467. (in Russian)