Фосфорсодержащие гетероциклические соединения: биологические эффекты

УДК 579.083.13

И. С. Захаров, Н. А. Алкин, В. Я. Пономарев, И. С. Низамов, А. Б. Маргулис

ФОСФОРСОДЕРЖАЩИЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ: БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Ключевые слова: токсичность, десмутагенность, биоантимутагенность, гиперразветвленные полимеры.

Исследованы токсические, мутагенные и антимутагенные свойства соединений нового класса гиперразветвленных полимеров. Показано, что при отсутствии мутагенных эффектов некоторые соединения обладают антимутагенными свойствами.

Keywords: toxicity, desmutagenicity, bioantimutagenicity, hyperbranchedpolymers.

We investigated the toxic, mutagenic and antimutagenic compounds of a new class of hyperbranched polymers. It is shown that in the absence of mutagenic effects of some compounds possess antimutagenic properties.

Введение

В настоящее время проблема определения генетической безопасности ксенобиотиков является одной из наиболее актуальных. Выявление веществ, способных вызывать мутации, приобрело особое значение при оценке безопасности уже в 60—70-х годах прошлого века.

Генотоксичность - это способность некоторых физических, химических и биологических факторов вызывать повреждения генетических структур организма. Вещества,обладающие мутагенными свойствами, могут вызывать изменения на уровне генов в соматических клетках (онкогенов). Данные модификации могут вести к образованию раковых опухолей. В клетках половых генетические модификации являются причиной различных последующих врожденных дефектов. В тоже время в биосфере прогрессивно накапливаются химические соединения антропогенного характера, большая часть из которых является мутагенами.

Из-за потенциальной опасности для здоровья человека, вызванной мутагенными веществами, крайне важно, чтобы все химические вещества проходили строгое обследование на генотоксичность. Если мутагенная активность обнаружена, то может быть определен риск заражения. Таким образом, регулируется использование мутагена человеком.

В Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова были синтезированы гиперразветвленные полимеры, которые обладают свойствами, резко отличающими их от полимеров Они представляют собой макромолекулу, которая состоит из прогрессивно разветвляющихся цепей (рис. 1). На рисунке 1 точками показаны узлы разветвления, а цифрами обозначены номера поколений. В каждом следующем поколении число ветвей больше, чем в предыдущем в определенное число раз, отношение которых является коэффициентом разветвления.

На данном примере коэффициент разветвления равен двум. Данный коэффициент зависит от функциональности исходного мономера, но в любом случае выражается целым числом [1,2].

Ранее нами были оценены токсические и генотоксические свойства родственных соединений.

Однако часто подобные соединения могут обладать противоположным - антимутагенным - эффектом.

Рис. 1 - Макромолекулы ГРП четвертого поколения

Исследователями обнаружен целый ряд соединений, которые способны инактивировать мутаген или предупреждать его образование в реакциях in vivo [3]. Биоантимутагены - это химические соединения, а также вещества биологического происхождения, которые имеют свойство снижать частоту мутаций не за счёт воздействия на мутагенные соединения связыванием, а благодаря влиянию на процессы превращений мутагена в организме-носителе мутаций, а именно: залечиванию первичных нарушений в генетических структурах с целью остановить их переход в истинные мутации, связывание биологически активных радикалов, возникающих в ходе превращений мутагена, а также затруднение проникновения мутагена в организм, транспорта к клеткам-мишеням и прохождения через мембраны последних. Среди биоантимутагенов различают метаболические и мембранные антимутагены.

Вещества, которые оказывают тормозящее действие по отношению к процессам метаболической активации мутагенов, являются метаболическими антимутагенами. При участии ферментов, использующих в качестве акцептора электронов кислород, происходят процессы метаболической активации мутагенов. Одним из самых важных ферментов является цитохром-?450, который является катализатором реакции

гидроксилирования. Действие витамина А и его провитамина-Р-каротина, которые проявляют антимутагенные свойства, основано на нарушении метаболической активации мутагенов, конкурируя с цитохромом Р-450 за электроны. На этом же принципе, возможно, происходит и антимутагенное, имеющего схожую простетическую группу.

К мембранным антимутагенам, прежде всего, относят стероидные гормоны, которые оказывают антимутагенное действие по отношению к аминоантрацену и ^метил-№-нитро-Ы-

нитрозогуанидину. Принципом данного эффекта является подавление требующих метаболической активации мутагенов. [4]. В связи с изложенным, целью настоящей работы явилось определение токсических, мутагенных и антимутагенных свойств нового класса гиперразветвленных полимеров.

1. Материалы и методы исследования

На токсичность и генотоксичность были исследованы представители семейств нового класса ГРП в различных концентрациях. Структурные формулы представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Структурные формулы исследуемых соединений

Шифр соединения Структурная формула

3.07.13-TER S,C(OEt)2Me ^ ^Fe^]

27.05.13-TER H2(Et2N)C- (S)-(-)- ho -г

23.05.13-TER s H2(Me2N)C- s„ji f

24.05.13-TER ю-н- Ч

31.05.13-SAB СНз Н3С— —СН3 НО^^ СН Н3С Vu 1 \ з МН о О^ЧСН3 уХо о_/СН3 Н3С-- / / No-^V Н3С Н3С \ СН3

4.04.13-SAB COOH *C + S ,.'C\ + _ II /CH^ 1 NH3 S-P(OPr-i)2

iT^Ty H

Все сконструированные Эймсом с соавторами [5] тестерные штаммы исходно получены из штамма Salmonella typhimurium дикого типа LT2. В геном бактерий были введены добавочные маркеры, с целью повышения чувствительности к мутагенам и канцерогенам.

Оценку мутагенности проводили в тесте Эймса с использованием мутантных штаммов.

Сущность теста заключается в культивировании бактерий Salmonella typhimurium предназначенной для штаммов с мутацией по ауксотрофности к гистидину. В среду вносили чистый химический мутаген и регистрировали число колоний.

Различие числа колоний ревертантов чем в 2.5 раза говорит об отсутствии мутагенности. Превышение в 10 раз свидетельствует о слабой мутагенной активности, а в диапазоне от 10 до 100 раз о средней мутагенной активности. Вечество является сильным мутагеном если наблюдаемое различие превышает 100 раз.

Чтобы исключить возможность получения ложноотрицательных результатов, нами

проводилась предварительная оценка токсичности препаратов на тестерных штаммах.

Антимутагенность определяли следующим образом: Был оценен уровень мутаногенеза индуцированного азидом натрия который является известным мутагеном

Тест проводили в следующих модификациях:

1) Исследуемые концентрации исследуемого препарата и азид натрия добавляли непосредственно в верхний агар без предварительной инкубации с тестерным штаммом с целью оценки десмутагенных свойств.

2) Инкубация тестерных бактерий с исследуемым соединением в различных концентрациях в течение 2 часов, с последующим добавлением в верхний агар азида натрия в дозировке 50 мкг/мл для оценки биоантимутагенного эффекта.

Статистический анализ проводили с использованием стандартных математических методов в компьютерной программе "MicrosoftExcel".

2. Оценка токсических эффектов исследуемых соединений

Токсический эффект определяли по выживанию тестерного штамма в опытных вариантах по сравнению с контрольным (рис. 2) [7,8].

Из рисунка видно, что среди TER и SAB токсические эффекты проявило соединение 23.05.13-TER на всем диапазоне концентраций, а также 3.07.13-TER, 24.05.13-TER, 31.05.13-SAB, 4.04.13-SAB в концентрации 6,25 - 12,5 мг/мл.

Рис. 2 - Токсические эффекты исследуемых соединений

3. Оценка антимутагенных эффектов исследуемых соединений

На рисунке 3 представлены результаты определения десмутагенных эффектов исследуемых соединений.

Рис. 3 - Десмутагенные эффекты исследуемых соединений

Из рисунка видно, что десмутагенной активностью обладает соединение 27.05.13-ТБЯ (снижение количества ревертантов на 50% при обработке соединением в концентрации 1,25 мг/мл).

На рис. 4 представлена диаграмма, отражающая биоантимутагенные эффекты исследуемых соединений.

Рис. 4 - Биоантимутагенные эффекты исследуемых соединений

Из рисунка видно, что и TER, и SAB проявляли биоантимутагенные эффекты, особенно в концентрации 6, 25 мг/мл. Количество ревертантов уменьшилось вдвое по сравнению с позитивным контролем, что говорит об уменьшении повреждающего воздействия мутагена на генетический аппарат клеток.

Таким образом, среди TER и SAB токсические эффекты проявило 23.05.13-TER на всем диапазоне концентраций, а также 3.07.13-TER, 24.05.13-TER, 31.05.13-SAB, 4.04.13-SAB в концентрации 6,25 -12,5 мг/мл. У соединений TER и SAB не обнаружены мутагенные эффекты на всем диапазоне концентраций. Соединение 27.05.13-TER обладает десмутагенной активностью (снижение количества ревертантов на 50% при обработке соединением в концентрации 1,25 мг/мл). TER и SAB проявляли биоантимутагенные эффекты, особенно в концентрации 6, 25 мг/мл. Количество ревертантов уменьшилось вдвое по сравнению с позитивным контролем. Соединения TER и SAB, за исключением 23.05.13-TER, обладающего токсичностью, предварительно оцениваются как безопасные и рекомендуются к дальнейшим исследованиям как потенциальные терапевтические препараты.

Ранее нами были проведены аналогичные исследования касающиеся соединений

фуранонового ряда [9] и ГРП семейства Болторн [10]. Данные соединения потенциально обладают лекарственным потенциалом и представляют собой интерес для дальнейшего исследования.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-03-00897-а.

Литература

1. Pettersson, B. Hyperbranched Polymers - unique design tools for multi property control in resins and coatings [Electronic resource]. - Режим доступа : http://www.perstorp.com - Дата доступа : 26.03.2010.

2. Luderitz, L. Influence of the structure of hyperbranched polymers on the release kinetics of pharmaceuticals [Text] / L. Luderitz // Master thesis - Technische Universitat Berlin, Institut fur Verfahrenstechnik: Berlin, 2004.

3. Kada, T. Desmutagens and bioantimutagens - their modes of action [Text] / T. Kada.- Bioassays.- 1987.- Vol.7.-P.113-116.

4. Абилев, С. К. Ускоренные методы прогнозирования мутагенных и бластомогенных свойств химических соединений [Текст] / С. К. Абилев, Г. Г. Порошенко; Итоги науки и техники ВИНИТИ. Серия «Токсикология».- 1986.- Т.14.- 175с.

5. Ames, B. N. An improved bacterial test system for defection and classification of mutagens and carcinogens [Text] / B. N. Ames, F. D. Lee, W. E. Durston // Procl. Nac. Akad. Sci.- USA.- 1973.- V.70, N3.- P. 782.

6. Maron, D.M. Revised methods for the Salmonella mutagenicity test [Text] / D.M. Maron, B.N. Ames // Mutat. Res.- N113.- 1983.- P.174-210.

7. Фонштейн, Л. М. Методы первичного выявления генетической активности загрязнителей среды с помощью бактериальных тест-систем [Текст] / Л. М. Фонштейн, С. К. Абилев, Е. В. Бобринев; Методические указания.- Москва, 1985.- 34с.

8. Маргулис, А.Б. Методы генетической токсикологии / А.Б. Маргулис, Н.С. Карамова, О.Н. Ильинская // Учебно-методическое пособие.- Казань: КФУ, 2012.- 36 с.

9. Митько, В.Е. Токсические и генотоксические эффекты новых синтезированных фуранонов и их галогенированных производных [Текст] / В.Е. Митько, А.Б. Маргулис, В.Я. Пономарев, А.И. Колпаков, О.Н.

Ильинская // Вестник Казанского технологического университета.- 2013.- Т.16, №11.- С.211-213. 10. Захаров, И.С. Генотоксические эффекты новых гиперразветвленных полимеров [Текст] / И.С. Захаров, А.И. Колпаков, О.Н. Ильинская, И.С. Низамов, В.Я. Пономарев, А.Б. Маргулис // Вестник Казанского технологического университета.- 2014.- Т.17, №14.- С. 367-369.

© И. С. Захаров, аспирант каф. микробиологии Института фундаментальной медицины и биологии ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», ivanzakharov2011@gmail.com; Н. А. Алкин, студент II курса ССМШ при КГК им. Н.Г. Жиганова; В. Я. Пономарев, к.т.н., доцент каф. технологии мясных и молочных продуктов КНИТУ, v.y.ponomarev@gmail.com; И. С. Низамов, д.х.н., профессор каф. химического образования Химического института им А.М. Бутлерова ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», isnizamov@mail.ru; А. Б. Маргулис, к.б.н., доцент каф. микробиологии Института фундаментальной медицины и биологии «Казанский (Приволжский) федеральный университет», anna.margulis@kpfu.ru.

© 1 S. Zakharov, a graduate student cafes. Microbiology, Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal University, ivanzakharov2011@gmail.com; N. A. Alkin, student of II course SSMS at the KSC named of N.G. Zhiganov; V. Ya. Ponomarev, Ph.D., assistant professor. technology of meat and dairy products of the Institute of Food Production and Biotechnology KNRTU, vyponomarev@gmail.com; I. S. Nizamov, Ph.D., professor of Department of chemical education of Chemical institute named of A.M. Butlerov, Kazan (Volga Region) Federal University, isnizamov@mail.ru; A. B. Margulis, PhD, assistant professor. Microbiology, Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan (Volga Region) Federal University, anna.margulis@kpfu.ru.