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:

Механизмы действия физико-химических факторов на биологические системы

Биологическая активность фуллеренолов различной структуры. Роль активных форм кислорода. Биолюминесцентный мониторинг

Е.С. Сушко1,2*, А.С. Сачкова3, Н.Г. Внукова2,4, Г.Н. Чурилов2,4, Е.А. Степин4, А.Г. Кичеева1,5, Н.С. Кудряшева1,4

1.Институт биофизики СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия;
2.Институт физики СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия;
3.Отделение ядерно-топливного цикла, Томский политехнический университет, Томск, Россия ;
4.Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия;
5.ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия;

* kkovel(at)yandex.ru

Фуллерены – объемные пустотелые молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода. Фуллерены практически нерастворимы в полярных растворителях, в том числе и в воде, но существует возможность получения водорастворимых форм фуллеренов.

Фуллеренолы – водорастворимые полигидроксилированные производные фуллеренов, наноразмерные биологически активные соединения, перспективные агенты для разработки лекарственных препаратов. Особенно перспективными в радиомедицине, считаются: (1) редокс-активные производные фуллеренов, способные влиять на окислительно-восстановительные процессы в биохимических циклах (например, атомы железа); (2) перспективные кандидаты для использования в качестве новых контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (например, фуллеренолы, содержащие гадолиний). Наиболее широко используемыми Gd-содержащими соединениями являются гадодиамид, гадопентетат димеглюмин, гадотерат меглюмин и др.; токсичность которых уменьшает перспективы их использования в медицине. Производные металлофуллерена удерживают токсичные ионы Gd3+ в инертной, но прочной углеродной оболочке, предотвращая их высвобождение, понижая их токсичность.

В работе проведен анализ токсичности и антиоксидантной активности фуллеренолов различной структуры: С60,70Oy(ОН)х, где х + у = 10-12; Gd@C82Oy(OH)x, где х + у = 20-24; С60Оу(ОН)х, С60,70Oy(ОН)х, где х + у = 24-28; С60,70Oy(ОН)х, Fe0,5C60Oy(ОН)х, Gd@C82Oy(OH)x, где х + у = 40-42. Для мониторинга токсичности растворов фуллеренолов использовали люминесцентные клеточные и ферментативные биотесты (соответственно светящиеся морские бактерии Photobacterium phosphoreum и их ферментативные реакции), где главный тестируемый параметр физиологической активности – интенсивность биолюминесценции. Для характеристики токсичности фуллеренолов определяли их концентрации, ингибирующие биолюминесценцию тестовых систем на 50%. Антиоксидантную активность фуллеренолов изучали в растворах модельных окислителей (1,4-бензохинона и K3[Fe(CN)6]); по уменьшению токсичности растворов модельных окислителей рассчитывали коэффициенты антиоксидантной активности. Содержание активных форм кислорода (АФК) оценивали в экспериментальных растворах хемилюминесцентным люминольным методом, определяли корреляции с токсичными/антиоксидантными характеристиками.

В работе продемонстрирован высокий потенциал люминесцентных биотестов для сравнения биологической активности фуллеренолов. Все исследуемые фуллеренолы продемонстрировали токсичность при высоких концентрациях (>10-3 г/л) и антиоксидантную способность при низких. Токсичность и антиоксидантная активность фуллернолов связаны с уменьшением содержания АФК в исследуемых растворах. Показано, что меньшей токсичностью, большей антиоксидантной активностью обладают фуллеренолы в структуре которых количество кислородосодержащих групп равно ½ количества атомов углерода в каркасе, что связано с соотношением размера фрагментов гидрофобной π-системы и количеством полярных (гидрофильных) кислородосодержащих групп. Фуллеренолы интенсивнее ингибируют биолюминесценцию бактериального биотеста, чем ферментативного, что вероятно определяется наличием дополнительных путей воздействия – на гидрофобные фрагменты бактериальной клеточной мембраны. При этом, наименьшей токсичностью для бактериальной тестовой системы обладают Gd-содержащие фуллеренолы Gd@C82Oy(OH)x (х+у=20–24; х+у=40-42), что вероятно связано с большим размером их углеродного каркаса и склонностью к агрегации. Антиоксидантный эффект фуллеренолов зависит от амфифильных характеристик среды и максимален в растворах органического окислителя – 1,4-бензохинона. Фуллеренолы ускоряют ферментативные НАДН-зависимые реакции, что приводит к ускорению биолюминесцентных реакций и вносит вклад в их антиоксидантный эффект.

Biological activity of fullerenols of various structure. The role of reactive oxygen species. Bioluminescent monitoring

E.S. Sushko1,2*, A.S. Sachkova3, N.G. Vnukova2,4, G.N. Churilov2,4, E.A. Stepin4, A.G. Kicheeva1,5, N.S. Kudryasheva1,4

1.Institute of Biophysics SB RAS, FRC KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia;
2.Institute of Physics SB RAS, FRC KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia;
3.Division for Nuclear-Fuel Cycle, Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia;
4.Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia;
5.FRC KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia;

* kkovel(at)yandex.ru

Fullerenes are bulk hollow molecular compounds, allotropic forms of carbon. Fullerenes are practically insoluble in polar solvents, including water, but water-soluble derivatives of fullerenes can be obtained.

Fullerenols are water–soluble polyhydroxylated derivatives of fullerenes, nanoscale biologically active compounds, perspective agents for drug development. Especially promising in radiomedicine are: (1) redox fullerene derivatives influencing redox processes in biochemical cycles (for example, iron atoms); (2) candidates for use as new contrast agents for magnetic resonance imaging (for example, fullerenols containing gadolinium). Gadodiamide, dimeglumine gadopentetate, meglumine gadoterate, etc. are widely used Gd-containing compounds in medicine; their toxicity reduces the prospects for their use in this area. Metallofullerene derivatives retain toxic Gd3+ ions in an inert but strong carbon shell, preventing their release and reducing their toxicity.

We analyzed the toxicity and antioxidant activity of fullerenols of various structures – with different amount of oxygen substituents, carbon cage size, involvement of endo- or exohedral metal atom: C60,70Oy(OH)x, where x + y = 10-12; Gd@C82Oy(OH)x, where x + y = 20-24; C60Oy(OH)x, C60,70Oy(OH)x, where x + y = 24-28; C60,70Oy(OH)x, Fe0,5C60Oy(OH)x, Gd@C82Oy(OH)x, where x + y = 40-42. To monitor the toxicity of fullerenol solutions, luminescent cellular and enzymatic bioassays were used (luminous marine bacteria Photobacterium phosphoreum and their enzymatic reactions, respectively). The main parameter of physiological activity of these bioassays is the intensity of bioluminescence. To characterize the toxicity of fullerenols, their concentrations inhibiting the bioluminescence of test systems by 50% were determined. Antioxidant activity of fullerenols was studied in solutions of model oxidizers (1,4-benzoquinone and K3[Fe(CN)6]); reducing of toxicity of the model oxidant solutions was monitored, coefficients of antioxidant activity were calculated. The content of reactive oxygen species (ROS) was evaluated in experimental solutions by chemiluminescent luminol method, correlations between the toxic/antioxidant fullerenol’ characteristics and the content of ROS in solutions of fullerenols were revealed, with this indicating the active role of ROS in the bioeffects of fullerenols.

The paper demonstrates the high potential of luminescent bioassays for comparing the biological activity of fullerenols. All fullerenols demonstrated toxicity at high concentrations (>10-3 g/L) and antioxidant activity at lower concentrations. The toxicity and antioxidant activity of fullernols were associated with a decrease in the content of ROS in the studied solutions. Fullerenols were characterized with lower toxicity and higher antioxidant activity if the number of oxygen-containing groups is close to ½ of the number of carbon atoms in the cage. This regularity is probably due to involvement of the hydrophobic π-system and the polar (hydrophilic) oxygen-containing groups into the biological activity of fullerenols. It was shown that fullerenols inhibit the bioluminescence of bacterial bioassay more intensively than the enzymatic one, which is probably due to the additional ways of influencing the hydrophobic fullerenol fragments on the bacterial cell membrane. The Gd-containing fullerenols Gd@C82Oy(OH)x (x+y=20-24; x+y=40-42) are characterized by the least toxicity for the bacterial bioassay ,which is probably due to the large size of their carbon cage and the tendency to aggregation. The antioxidant effect of fullerenols depends on the amphiphilic characteristics of the medium and is maximal in solutions of an organic oxidizer – 1,4-benzoquinone. Fullerenols accelerate enzymatic NADH-dependent reactions, leading to acceleration of bioluminescent reactions and contributing to their antioxidant effect.



Докладчик: Сушко Е.С.
247
2022-11-11

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists