Метод фотодинамической терапии эффективен для борьбы с раковыми заболеваниями и как способ дезактивации патогенных микроорганизмов, резистентных к антибиотикам [1]. Для поиска новых эффективных фотосенсибилизаторов (ФС) необходимы методы, позволяющие изучать их адсорбцию и фотодинамические свойства in vitro в системе, близкой по структуре к клеточной мембране. В настоящей работе такой системой была бислойная липидная мембрана, являющаяся хорошей моделью клеточной мембраны. Адсорбцию и фотодинамическую активность фотосенсибилизаторов на БЛМ изучали, измеряя скачок потенциала на границе БЛМ с раствором. Изучены адсорбция и фотодинамическая активность окта-катионных комплексов фталоцианина (Фц) с ионом магния (8bMgPc) или цинка (8bZnPc), которые были синтезированы в ИФХЭ РАН. Эти соединения имеют на периферии 8 положительно заряженных групп и различаются ионом металла в центре фталоцианинового макрокольца. Изменения граничного потенциала ∆Фb измеряли 3 методами: разработанными в лаборатории методом компенсации внутримембранного поля (IFC), по изменению проводимости БЛМ, индуцированной нонактином, а также по электрофоретической подвижности липосом.

Адсорбция ФС приводила к изменению ∆Фb , знак которого соответствовал связыванию с БЛМ положительно заряженных молекул Фц. Значения ∆Фb для 8bMgPc и 8bZnPc были близки, что говорит о незначительном влиянии природы иона металла в центре молекулы на их адсорбционные свойства. Значения ∆Фb, измеренные при адсорбции 8bMgPc методом IFC, совпали со значениями ∆Фb, определенными по изменению проводимости БЛМ, индуцированной нонактином. Это свидетельствует, что молекулы 8bMgPс не проникают через БЛМ. Наклоны зависимости ∆Фb от концентрации Фц в растворе значительно превышали величину, предсказываемую на основе предположения, что заряды адсорбируемых соединений лежат на поверхности мембраны, а скачок потенциала удовлетворяет теории Гуи-Чепмена [2]. Значения ∆Фb, измеренного методом IFC, значительно превышали значения zeta–потенциала. Эти результаты объясняются тем, что заряженные группы 8bMgPc и 8bZnPc погружены в гидрофобную область БЛМ.

Обнаружено увеличение проводимости мембраны в процессе связывании с ней 8bZnPc, добавленного в водный раствор ячейки, которая со временем спадала до исходной величины. Это объяснялось перестройкой липидов, окружающих молекулы 8bZnPc в мембране, в результате которой возникают проводящие дефекты в БЛМ. Добавление к DPhPC холестерина (30 мольных %) не влияло на возникновение проводимости, но ускорило ее спад. Возрастание проводимости при адсорбции 8bMgPc не наблюдалось, откуда сделан вывод, что оно вызвано взаимодействием между ионом цинка в молекуле 8bZnPc и фосфолипидами в БЛМ.

Фотодинамическая активность исследуемых фталоцианинов определялась по скорости R разрушения молекулы-мишени синглетного кислорода di-4-ANEPPS при освещении БЛМ. Разрушение молекул di-4-ANEPPS регистрировали по исчезновению дипольного скачка потенциала, создаваемого ими на поверхности БЛМ. Молекулы мишени и Фц адсорбировали по разные стороны мембраны, чтобы исключить их взаимодействие, и разрушение di-4-ANEPPS происходило из-за их окисления синглетным кислородом, проникающим через БЛМ. По кинетике изменения ∆Фb при освещении БЛМ и его восстановления в темноте определяли скорость R разрушения di-4-ANEPPS, пропорциональную стационарной концентрации синглетного кислорода в мембране. Зависимости R от концентрации 8bMgPc и 8bZnPc в растворе были близки друг к другу. В диапазоне концентраций 10^(-8)-10^(-6) М параметр R линейно возрастает для всех Фц, а при концентрации выше 10^(-5) М перестает расти и выходит на плато, что можно объяснить тушением синглетного кислорода молекулами фталоцианина в мембране [3].

В итоге можно заключить, что природа иона металла в центре молекулы изученных фталоцианинов мало влияет на их адсорбционные и фотодинамические свойства, но сказывается на структурных перестройках липидного бислоя, вызванных встраиванием молекул Фц в мембрану. Заряженные группы исследуемых Фц погружаются в гидрофобную область БЛМ, и адсорбция молекул 8bMgPc происходит без их проникновения через мембрану. Скорость разрушения R молекул di-4-ANEPPS, которая характеризует фотодинамическую эффективность фталоцианинов, растет с увеличением их концентрации в растворе, но перестает расти при высоких концентрациях из-за тушения синглетного кислорода молекулами фталоцианина в мембране.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда РНФ, проект № 19-13-00410.



1. DeRosa, Maria C. Photosensitized singlet oxygen and its applications. Coordination Chemistry Reviews 233 (2002): 351-371.

2. SokolovV. S. and MirskyV. M..Electrostatic potentials of bilayer lipid membranes: basic research and analytical applications. In: Ultrathin Electrochemical Chemo- and Biosensors: Technology and Performance, edited by Vladimir M. Mirsky, Heidelberg:Springer-Verlag, 2004, 255-291.

3. Krasnovsky, A. A., et al Quenching of singlet molecular oxygen by phthalocyanines and naphthalocyanines, Photochemistry and Photobiology, 2008, 55(5), 691–696.

The method of photodynamic therapy is effective for combating cancer and as a way of deactivating pathogenic microorganisms resistant to antibiotics [1]. Thesearch for new effective photosensitizers (FS),requires the methods to study their adsorption and photodynamic properties in vitro in a system similar in structure to the cell membrane. In the present work, such a system was a bilayer lipid membrane, which is a good model of a cell membrane. The adsorption and photodynamic activity ofocta-cationic complexes of phthalocyanine (Pc) with magnesium ion (8bMgPc) or zinc (8bZnPc), which were synthesized at IPCE RAS, on BLM wasstudied by measuring the potential jump at the BLM-solution boundary. The molecules of these compounds have 8 positively charged groups on the periphery and are distinguished by a metal ion in the center of the macro ring.The changes in the boundary potential ∆Фb were measured by 3 methods: by the intramembrane field method (IFC) developed in the laboratory [2], by changes in the conductivity of BLM induced by nonactin, as well as by the electrophoretic mobility of liposomes.

The adsorption of FS led to a change in ∆Фb, the sign of which corresponded to the binding of positively charged molecules to BLM. The values of ∆Фb for 8bMgPc and 8bZnPc were close, which indicates a slight influence of the nature of the metal ion in the center of the molecule on their adsorption properties. The values of ∆Фb measured during the adsorption of 8bMgPc by the IFC method coincided with the values of ∆Фb determined by the change in the conductanceof BLM induced by nonactin. This indicates that 8bMgPc molecules do not penetrate through the BLM. The slopes of the dependence of ∆Фb on the concentration of Pc in solution significantly exceeded the value predicted by the modelassuming that the charges of the adsorbed compounds lie on the membrane surface, and the potential jump satisfies the Gouy-Chapman theory [2]. The values of ∆Фb measured by the IFC method significantly exceeded the values of zeta-potential. These results can beexplainedassuming that the charged groups of 8bMgPc and 8bZnPc immerse into the hydrophobic region of the BLM.

An increase in the conductanceof the membrane during the binding of 8bZnPc added to the aqueous solution of the cell, which eventually decayed to the initial value,was detected. Itwas explained by the rearrangement of lipids surrounding 8bZnPc molecules in the membrane, resulting in conductive defects in the BLM. The addition of cholesterol to DPhPC (30 mole %) did not affect the appearance of conductivity, but accelerated its decay. The increase in conductanceduring the adsorption of 8bMgPcwas not observed, allowing the conclusion that the conductance is caused by the interaction between the zinc ion in the 8bZnPc molecule and phospholipids in BLM.

The photodynamic activity of phthalocyanineswas evaluatedby measuring the rate of damageof the molecules of di-4-ANEPPS used astargets of singlet oxygen under BLM illumination. The damageof di-4-ANEPPS molecules was detected as disappearance of the dipole potential jump created by them on the surface of the BLM. The target and Pc molecules were on oppositesurfacesof the membrane to exclude their direct interaction, and the damage of di-4-ANEPPS moleculeswas due to their oxidation by singlet oxygen penetrating through the BLM. The rate R of damage of di-4-ANEPPS proportional to the stationary concentration of singlet oxygen in the membrane was determined from the kinetics of change in ∆Фb under BLM illumination and its recovery in the dark. The dependences of R on the concentration of 8bMgPc and 8bZnPc in solution were close to each other. The parameter R increases linearly with theconcentration ofall Pcin the range of 10^(-8)-10^(-6) M, and reaches a plateau at concentrations above 10^(-5) M. This decline from the linear dependence at high concentrations of Pccan be explained by the quenching of singlet oxygen by phthalocyanine molecules in the membrane [3].

Finally, one can conclude that the nature of the metal ion in the center of the molecule of the studied phthalocyanines has little effect on their adsorption and photodynamic properties, but affects the structural rearrangements of the lipid bilayer caused by the incorporation of Pc molecules into the membrane. Charged groups of the studied Pc immerse into the hydrophobic region of the BLM, and the adsorption of 8bMgPc molecules occurs without their penetration through the membrane. The rate R of damage of molecules of di-4-ANEPPS characterizing the photodynamic efficiency of phthalocyanines, increases with their concentration in solution, but ceases to grow at high concentrations due to the quenching of singlet oxygen by phthalocyanine molecules in the membrane.

The work was carried out with the financial support of the RNF Foundation, project No. 19-13-00410.



1. DeRosa, M.C. Photosensitized singlet oxygen and its applications.” Coordination Chemistry Reviews 233, 2002: 351-371.

2. SokolovV. S. and MirskyV. M..Electrostatic potentials of bilayer lipid membranes: basic research and analytical applications. In: Ultrathin Electrochemical Chemo- and Biosensors: Technology and Performance, edited by Vladimir M. Mirsky, Heidelberg:Springer-Verlag, 2004, 255-291.

3. Krasnovsky A.A., et al Quenching of singlet molecular oxygen by phthalocyanines and naphthalocyanines //Photochemistry and Photobiology, 2008, 55(5), 691–696.