Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется изучению особенностей адсорбции белковых молекул из модельных растворов на поверхности сорбентов различной природы [1-2]. Актуальность данных исследований связана с разработкой биоспецифических сорбентов для избирательной адсорбции токсичных веществ белкового происхождения, накапливающихся в организме при онкологических, иммунных, инфекционных и других заболеваниях (прионы, про воспалительные цитокины, продукты вирусов и бактерий, бета амилоид, тау-белок и др.) [3-5]. Известно, что такие патогенные соединения относятся к белкам средней молекулярной массы.
Особый интерес представляют поверхностные явления в системе «углеродные материалы - белковые соединения».
Углеродные сорбенты перспективны в качестве носителей для создания биоспецифических сорбентов, что обусловлено их уникальными свойствами.
Для повышения адсорбционных свойств сорбентов по отношению к соединениям белковой природы используют химическое модифицирование углеродной поверхности функциональными группами: окисление поверхности, иммобилизация аминокислот, ферментов и т.д.
В данной работе впервые приводятся результаты исследований особенностей адсорбции белков углеродными гемосорбентами, модифицированными органическими кислотами с их последующей поликонденсацией. Данный способ используется впервые применительно к углеродным гемосорбентам и представляет значительный интерес, т. к. выбранное направление модифицирования позволяет получить широкий спектр эффективных сорбентов, специфически связывающих белковые соединения.
Соответствующие исследования актуальны как в теоретическом отношении (выявление и объяснение закономерностей адсорбции белков на углеродной поверхности, «локально» модифицированной полимерами), так и в практическом плане (создание биоспецифических углеродных гемосорбентов).
Цель работы: получение модифицированных углеродных гемосорбентов, целенаправленно «настроенных» на извлечение соединений белковой природы средней молекулярной массы и исследование их физико-химических свойств.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Обосновать выбор способа химического модифицирования углеродной
поверхности.
Определить основные требования к свойствам носителя и модификаторов для получения углеродных гемосорбентов, целенаправленно «настроенных» на извлечение соединений белковой природы средней молекулярной массы.
Установить параметры модифицирования, приводящие к целенаправленному изменению физико-химических характеристик углеродных гемосорбентов.
4. Исследовать физико-химические свойства углеродных гемосорбентов:
химический состав, текстурные характеристики, кислотно-основные и
адсорбционные свойства.
5. Выявить закономерности, описывающие адсорбцию различных по размеру белков
модифицированными гемо сорбентами, с учетом текстуры сорбента, природы и
количественного содержания модификатора, а также концентрации белков в
растворе.
7. Сопоставить результаты исследований особенностей адсорбции белков
углеродными гемо сорбентами, полученные в модельных условиях и в реальных
системах (стендовые медицинские испытания на плазме крови).
Научная новизна работы. 1. Определены основные требования к свойствам углеродного носителя и модификаторов для получения гемосорбентов, целенаправленно «настроенных» на извлечение соединений белковой природы средней молекулярной массы.
Впервые проведено модифицирование углеродного материала мезопористой структуры методом поликонденсации органических кислот с целью увеличения концентрации поверхностных функциональных групп, взаимодействующих с соединениями белковой природы.
Исследованы физико-химические свойства модифицированных углеродных гемосорбентов и сопоставлены со свойствами углеродного носителя: морфология поверхности, пористая структура, состав и содержание поверхностных функциональных групп, адсорбционные свойства по отношению к белкам различной молекулярной массы.
4. Установлено влияние природы модификатора, величины удельной
поверхности, объема пор, состава и содержания поверхностных функциональных
групп углеродных гемосорбентов на их адсорбционные свойства по отношению к
белкам-маркерам (окситоцин, альбумин, иммуноглобулин G).
5. Впервые разработаны способы получения биоспецифических углеродных
гемосорбентов на основе углеродного гемосорбента для извлечения из плазмы
крови про воспалительных цитокинов (интерлейкин 1-р, фактор некроза опухоли-а)
при панкреатите и вирусных частиц при гепатите В.
Практическая ценность работы.
Получены углеродные гемосорбенты, целенаправленно «настроенные» на извлечение соединений белковой природы средней молекулярной массы:
- гемосорбент, модифицированный полимером s-аминокапроновой кислоты, для адсорбции провоспалителыгых цитокинов: фактора некроза опухоли-а (ФНО-а), интерлейкина 1-р (ИЛ-lp) из плазмы крови больных острым панкреонекрозом (патент № 2240844 Российской Федерации от 27.01.2012).
гемосорбент, модифицированный полимером молочной кислоты с «активированными» карбоксильными группами и иммобилизованным биолигандом - полиальбумином для адсорбции вирусных частиц из плазмы крови больных гепатитом В (поверхностный антиген гепатита В HBsAg, ДНК вируса гепатита В) (положительное решение о выдаче патента Российской Федерации от 28.11.2011 по заявке на изобретение № 2011113927).
Модифицированные углеродные гемосорбенты успешно испытаны в Центральной научно-исследовательской лаборатории Омской государственной медицинской академии (ЦНИЛ ОмГМА) г. Омска (стендовые медицинские испытания на плазме крови больных).
Вклад автора состоял в планировании, подготовке, проведении всех представленных экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, в написании докладов и публикаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались в виде устных и стендовых сообщений на ряде международных и российских симпозиумов и конференций: Всероссийской научной молодежной конференции «Под знаком Сигма» (Омск, Россия, 2007, 2008, 2010), Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва-Клязьма, Россия, 2008, 2009, 2010), Международном IV съезде Российского общества биохимиков и молекулярных биологов (Новосибирск, Россия, 2008), III International Symposium on Carbon for Catalysis «CarboCat III» (Berlin, Germany, 2008), Международной научной конференции «Химическая биология - фундаментальные проблемы бионанотехнологии» (Новосибирск, Россия, 2009), а также были представлены на конкурсе молодых ученых на VI Московском международном конгрессе "Биотехнология: состояние и перспективы развития" (Москва, Россия, 2011) и на III Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Секция «Нанотехнологии в медицине») III Международного форума по нанотехнологиям «Rusnanotech 2010».
Исследования диссертационной работы являлись составной частью планов НИР Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем переработки углеводородов СО РАН в рамках приоритетного направления фундаментальных исследований РАН «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы». Программа «Создание нового поколения материалов различного функционального назначения для использования в технике, в медицине, в химической технологии. Химия наночастиц и нанообъектов». Проект «Развитие научных основ конструирования и методов синтеза структур но-организованных углеродных наносистем, в том числе модифицированных гетероатомами, как базы для разработки технологий получения функциональных углеродных материалов с заданными свойствами» (2007 - 2009 гг.).
Результаты диссертационной работы входили составной частью в исследования, проводимые в рамках междисциплинарных интеграционных проектов фундаментальных исследований СО РАН № 60 "Изучение белков и белково-нуклеиновых комплексов методами функциональной, структурной и медицинской протеомики" (2006-2008 гг.) и № 88 «Разработка универсальных методологий на основе мультифункциональных пептидо-олигонуклеотидных конструкций для дифференциальной магнитно-резонанс ной визуализации клеток нормальных и опухолевых тканей и регуляции» (2009-2011 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах и 20 тезисов доклада.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 176 страницах и включает 36 таблиц, 41 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 175 источников.
