Взаимодействие синтетических полиэлектролитов с везикулами, содержащими ионогенные поверхностно-активные вещества тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

1. Введение.

2. Обзор литературы.

2.1. Липиды, поверхностно-активные вещества и основные принципы построения липидных мембран.

2.1.1. Липиды и липидные мембраны.

2.1.2. Поверхностно-активные вещества, образующие везикулы -липидоподобные ПАВ.

2.1.3. Поверхностно-активные вещества с одним гидрофобным радикалом.

2.1.4. Gemini - новый класс поверхностно-активных веществ.

2.2. Структура липидного бислоя.

2.2.1. Область полярных головок.

2.2.2. Область глицериновых остатков.

2.2.3. Область углеводородных цепей.

2.2.4. Упаковка липидных молекул в малых везикулах.

2.2.5. Топологическая асимметрия искусственных везикул и природных липидных мембран.

2.3. Динамические процессы в липидных системах.

2.3.1. Латеральная диффузия липидов и ПАВ в мембранах.

2.3.2. Трансбислойные перемещения липидов и ПАВ в мембранах (флип-флоп).

2.3.3. Фазовые переходы в липидных мембранах и мембранах из липидоподобных ПАВ.

2.3.4. Латеральная сегрегация молекул липидов и ПАВ в мембранах.

2.3.5. Обмен липидов между везикулами.

2.3.6. Возможность встраивания в липидную мембрану поверхностно-активных веществ.

2.3.7. Агрегация и слияние везикул.

2.4. Взаимодействие полиэлектролитов с везикулами.

2.4.1. Адсорбция полиэлектролитов на везикулах. Влияние полиэлектролитов на устойчивость липидных систем: агрегация и слияние.

2.4.2. Трансбислойная миграция и латеральная сегрегация компонентов мембран при адсорбции полимеров.

2.4.3. Взаимодействие полилизина с везикулами.

2.4.4. Взаимодействие поли ]Ч[-этил-4-винилпиридиний бромида с везикулами.

2.4.4. Взаимодействие полиакриловой кислоты с везикулами.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Используемые реагенты.

3.1.1. Липиды.

3.1.2. ПАВ.

3.1.3. Полимеры.

3.1.4. Низкомолекулярные реагенты.

3.1.5. Вода.

3.2. Объекты исследования.

3.2.1.Везикулы из яичного лецитина (фосфатидилхолина) и дипальмитоилфосфатидилхолина содержащие

КЛ2", ДСН1-, ЦТАБ1+, ЦПБ1+, ФМ12+ и ФМ22".,

3.2.2. Везикулы с заключенным во внутренний объем хлоридом натрия.

3.3. Методы исследования.

3.3.1. Квазиупругое рассеяние лазерного света (КУРЛС).

3.3.2. Флуоресцентная спектроскопия.

3.3.3. УФ-спектроскопия.

3.3.4. Препаративное центрифугирование.

3.3.5. Потенциометрия.

3.3.6. Кондуктометрия.

3.3.7. Определение полноты связывания полиэлектролитов.

3.3.8. Синтез флуоресцеин-меченой полиакриловой кислоты.

4. Результаты и их обсуждение.

4.1. Взаимодействие ионогенных ПАВ с липосомами.

4.1.1. Взаимодействие ПАВ 1 с липосомами.

4.1.2. Взаимодействие ПАВ2 с липосомами.

4.1.3. Миграция молекул ПАВ между везикулами.

4.1.4. Миграция липидных молекул между везикулами.

4.2. Взаимодействие полиионов с заряженными везикулами.

4.2.1. Взаимодействие ПЭВП с везикулами, содержащими ПАВ1.

4.2.2. Взаимодействие ПЭВП с везикулами, содержащими ПАВ2.

4.2.3. Взаимодействие ПАК с везикулами.

4.3. Взаимодействие полиионов с электронейтральными везикулами.

4.3.1. Взаимодействие полиионов с трехкомпонентными электронейтральными везикулами, содержащими ПАВ1.

4.3.2. Взаимодействие полиионов с трехкомпонентными электронейтральными везикулами, содержащими ПАВ2.

5. Выводы.

6. Литература.•■•••.

Бислойные везикулы, сформированные из амфифильных молекул липидов (липосомы), в последние 20 лет нашли широкое применение в различных областях биологии и медицины. Так, например, они были использованы для изучения процессов метаболизма, доставки генетического материала внутрь клетки, химиотерапии рака, противомикробной, антибактериальной и антивирусной терапии, и проч. Как было установлено, один из важнейших параметров, определяющих эффективность действия липосомальных препаратов, - скорость их выведения из кровотока - зависит, помимо других факторов, от поверхностного заряда липосом и их размера. Отрицательно заряженные липосомы быстрее выводятся из организма, чем положительно заряженные или нейтральные. Большие липосомы удаляются быстрее, чем малые.

В настоящее время известны разнообразные методы получения липосом, позволяющие варьировать их размер в диапазоне от десятков до тысяч нанометров. В основном, известно два способов придания липосомам необходимого по величине и знаку поверхностного заряда. Первый состоит в том, что в мембрану нейтральных липосом (в ходе их приготовления или после этого) дополнительно встраивают нужное количество заряженного липида или синтетического поверхностно-активного вещества (ПАВ). Второй способ заключается в модификации поверхности липосом (также в ходе или после их приготовления) природными или синтетическими макромолекулами, которые удерживаются на липосомальной мембране ковалентными, электростатическими или гидрофобными взаимодействиями. В этом случае связанная с мембраной полимерная молекула может выполнять еще и функцию "якоря", обеспечивающего специфическое 6 взаимодействие таких липосом с поверхностными рецепторами клеток-мишеней.

Однако, несмотря на большое количество посвященных липосомам публикаций, ряд принципиальных вопросов, связанных с их строением и стабильностью, остаются открытыми. В первую очередь это касается смешанных бислойных везикул, сформированных из липидов и синтетических ПАВ. Еще меньше известно о том, как меняются свойства таких везикул после модификации их поверхности природными и синтетическими полимерами.

Цель работы состояла в исследовании: строения и стабильности смешанных бислойных везикул, сформированных из липидов и синтетических ПАВ;

- состава и свойств комплексов, образованных смешанными везикулами и синтетическими полиэлектролитами; обратимости взаимодействия смешанных везикул с полиэлектролитами.

Для приготовления везикул были использованы нейтральные и отрицательно заряженные липиды, а также смеси нейтральных липидов с положительно и отрицательно заряженными синтетическими ПАВ, содержащими один и два алифатических радикала.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

5. ВЫВОДЫ.

1. Исследовано взаимодействие синтетических ионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащих один или два алкильных радикала, с твердыми и жидкими сферическими бислойными липидными частицами (липосомами). В случае твердых липосом процесс ограничивается адсорбцией молекул ПАВ на внешней стороне липосомальной мембраны. В случае жидких липосом происходит встраивание молекул ПАВ во внешний монослой мембраны с последующим переходом на ее внутреннюю сторону. Возможность такого перехода определяется химическим строением молекул ПАВ.

2. Жидкие смешанные везикулы способны обмениваться молекулами ПАВ и липидов. Скорость миграции первых значительно превышает скорость миграции вторых. Результатом этих процессов является равномерное распределение компонентов по всем везикулам в системе.

3. Взаимодействие синтетических полиэлектролитов с противоположно заряженными смешанными везикулами, построенными из молекул липидов и ПАВ, сопровождается нейтрализацией поверхностного заряда везикул и их агрегацией. Адсорбция полиэлектролитов на везикулах, содержащих ПАВ с одним алкильным радикалом полностью обратима. Комплексы жидких и твёрдых липосом с полиионами полностью диссоциируют при увеличении ионной силы раствора и при добавлении противоположно заряженного (по отношению к полииону) полиэлектролита. Удаление полииона с поверхности везикул сопровождается дезагрегацией частиц.

4. Комплексы (и агрегаты), сформированные полиионами и твёрдыми смешанными везикулами, содержащими ПАВ с двумя алифатическими радикалами, не разрушаются в присутствии избытков противоположно

85 заряженного полиэлектролита и в концентрированных растворах солей. Комплексы смешанных жидких липосом с полиионами так же не разрушаются в присутствии полииона-конкурента, однако полностью диссоциируют при увеличении ионной силы раствора. Дополнительная стабилизация агрегатов жидких везикул может обеспечиваться за счет встраивания алифатических радикалов, принадлежащих одной молекуле ПАВ, в мембраны соседних везикул, а в агрегатах твердых везикул за счет взаимодействия алкильных радикалов, расположенных на поверхности соседних везикул.

5. Полиионы не взаимодействуют с электронейтральными липосомами, приготовленными из цвиттер-ионных липидных молекул. Однако полиионы адсорбируются на поверхности электронейтральных трехкомпонентных везикул, сформированных из цвиттер-ионного липида и взятых в эквимольных количествах катионного и анионного ПАВ. Привносимый адсорбированными полионами заряд стабилизирует везикулы и предотвращает развитие агрегации.

1. Марголис Л.Б., Бергельсон Л.Д. Липосомы и их взаимодействие с клетками. М., Наука, 1981, с. 8-40.

2. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. М., Просвещение, 1987, с. 577.

3. Blandamer M.J., Briggs В., Cullis P.M., Engberts J.B.F.N., Wagenaar A., Smits E., Hoekstra D., Kacperska A. //Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, Vol. 90(18), p. 2709-2715.

4. Menger F.M., Lee S.J. //Langmuir, 1995, Vol. 11, p. 3685-3689.

5. Rickwood D., Harnes B.D.(edit). Liposomes. A practical approach.// Oxford University Press, 1990, p. 10-30.

6. Saunders L.A. //Biochim. Biophys. Acta, 1966, Vol. 125, p. 70-74.

7. Chapman D. //Quart. Rev. Biophys., 1975, 8, p. 185-233.

8. Demel R.A., de Kruijff B. //Biochim. Biophys. Acta, 1976, Vol. 457, p. 109132.

9. Van Echtfeld C.J.A., de Kruijff В., de Gier J. //Biochim. Biophis. Acta, 1980, Vol. 595, p. 71-81.

10. Mandersloot J.G., Reman F.С., van Deenen L.L.M., de Gier J. //Biochim. Biophis. Acta, 1975, Vol. 382, p. 22-26.

11. Blandamer M.J., Briggs В., Cullis P.M., Engberts J.B.F.N., Wagenaar A., Smits E.,Hoekstra D., Kacperska A. //J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1994,Vol. 90(18), p. 2703-2708.

12. Smits E., Blandamer M.J., Briggs В.,Cullis P.M., Engberts J.B.F.N. //Reel. Trav. Chim. Pays-Bas, 1996, Vol. 115, p. 37-43.

13. Blandamer M.J., Briggs В., Cullis P.M., Engberts J.B.F.N., Kacperska A. //J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1995, Vol. 91 (23), p. 4275-4278.

14. Blandamer M.J., Briggs В., Cullis P.M., Engberts J.B.F.N. //Chem. Soc. Reviews, 1995, p. 251-257.

15. Blandamer M.J., Briggs В., Butt M.D., Waters M., Gullis P.M., Engberts J.B.F.N., Hoekstra D., Mohanty R.K. // Langmuir, 1994, Vol. 10, p. 3488-3492.

16. Wagenaar A., Rupert L.A.M., Engberts J.B.F.N. //J. Org. Chem., 1989, Vol. 54, p. 2638-2642.

17. Menger F.M., Gabrielson K.D. //Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1995, Vol. 34, p. 2091-2106.

18. Абрамзон A.A., Гаевой H.C. Поверхностно-активные вещества. (Справочник). Д., Химия, 1979.

19. Van Os N.M., Haak J.R., Rupert L.A.M. Physico-chemical properties of selected anionic, cationic and nonionic surfactants., Amsterdam, Elsevier, 1993.

20. Абрамзон A.A., Щукин Е.Д. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества (Справочник). Л., Химия, 1984.

21. Madden T.D., Cullis P.R. //Biochim. Biophis. Acta, 1982, Vol. 684, p. 149153.

22. Bangham A.D., Hörne R.W. //J. Mol.Biol., 1964, Vol. 8, p. 660-668.

23. Stein T.M., Gellman S.H. //J. Am. Chem. Soc., 1992, Vol. 114, p. 3943-3948.

24. Menger F.M., Littau C.A. //J. Am. Chem. Soc., 1991, Vol. 113, p. 1451-1457.

25. Menger F.M., Littau C.A. //J. Am. Chem. Soc., 1993, Vol. 115, p. 1008310090.

26. Menger F.M., Yamasaki Y. //J. Am. Chem. Soc., 1993, Vol. 115, p. 38403845.

27. Menger F.M., Eliseev A.V. //Langmuir, 1995, Vol. 11, p. 1855-1857.

28. Seelig J. //Biochim. Biophys. Acta, 1978, Vol. 515, p.105-410.

29. Hubner W., Blume A. //J. Phys. Chem., 1990, Vol. 94, p. 7726-7730.

30. Marsh D. //Pure & Appl. Chem., 1990, Vol. 62, No.2, p. 265-270.

31. Шалыгин A.H., Переведенцева E.B., Барышев M.B. //Физическая химия. 1990, Т. 64, №6, с. 1623-1629.

32. Traube Н., Eibl Н. //Proc. Nat. Acad. Sei. US., 1974, Vol. 71, p. 214.

33. Tokutomi S., Onki K. //Biochim. Biophys. Acta, 1980, Vol. 596, p. 192-200.

34. Traube H., Jentner M., Wooley P., Eibl H. //Biophys. Chem., 1976, Vol. 4, p. 319-342.

35. New R.R.C. Liposomes. A practical approach. //Oxford University Press, Oxford, 1989, p. 1-266.

36. Buldt G., Wohlgemuth R. //J. Membrane Biol., 1981, Vol. 58, p. 81-100.

37. Janiak M.J., Small D.M., Shipley G.G. //Biochemistry, 1976, 15, p. 4575-4580.

38. Флори П. Статистическая механика цепных молекул. М., Мир, 1971, с. 25.

39. Dill К.А., Flory P.J. //Proc. Nat. Acad. Sei. US., 1981, Vol. 78, p. 676-680.

40. Lichtenberg D., Freire E., Schmidt C.F. //Biochemistry, 1981, 20, p. 34623467.

41. Shapiro J.E, Viktorov A.V., Volkova V.l. //Chem. Phys. Lipids, 1975, 14, p. 227-232.

42. Krebs J.J.K. //J. Bioenerg. and Biomembranes, 1982, Vol. 14, p. 141-157.

43. Barsukov L.J., Victorov A.V., Vasilenko J.A. //Biochim. Biophys. Acta, 1978, Vol. 515, p. 105-410.

44. Kazunori Anzai, Yasuyuki Yoshioka and Yutaka Kirino //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1151, No. 1, p. 69-75.

45. Edidin M. //Annu. Rev. Biophys. and Bioeng., 1974, 3, p. 179-201.

46. Cherry R.J. //Biochim. Biophys. Acta, 1979, Vol. 559, p. 289-327.

47. Fisher R.W., James T.L. //Biochemistry, 1978, 17, p. 1177-1183.

48. Devaux P., McConnell H.M. //J. Amer. Chem. Soc., 1972, Vol. 94, p. 44754481.

49. Cullis P.R., de Kruijff В., Richards R.E. //Biochim. Biophys. Acta, 1976, Vol. 426, p. 433-446.

50. Kuo A.-L., Wade C.G. //Biochemistry, 1979, 17, p. 2300-2308.

51. Kornberg R.D., McConnel H.M. //Biochemistry, 1971, 10, p. 1111-1120.

52. De Kruijff В., Wirts K.W. //Biochim. Biophys. Acta, 1977, Vol. 468, p. 318326.

53. De Kruijff В., Baken P. // Biochim. Biophys. Acta, 1978, Vol. 507, p. 38-47.

54. Barsukov L.I., Kulikov V.l., Bachmanova G.I. //FEBS Lett., 1982, Vol. 144, p. 337-340.

55. Shaw J.M., Thompson Т.Е. //Biochemistry, 1982, 21, p. 920-927.

56. Ефимова А.А. //Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук, М., 1996.

57. Cullis P.R., de Kruijff В. //Biochim. Biophys. Acta, 1978, Vol 513, p. 31-42.

58. Blandamer M., Cullis P. and J.B.F.N. Engberts //J. Therm. Analysis, 1995, Vol. 45 , p. 599-613.

59. Kacperska A. //J. Therm. Analysis, 1995, Vol. 45, p. 703-714.

60. Blandamer M., Briggs В., Cullis P., Jan B.F.N. Engberts, Wagenaar A., Smits E., HoekstraD., Kacperska A. //Langmuir, 1994, Vol.10, No. 10, p. 3507-3511.

61. Блюмштейн А.Н.(ред.). Жидкокристаллический порядок в полимерах. М., Мир, с. 281.

62. Ferrarini A., Nordio P.L., Giorgio J. Moro //J. Chem. Phys., 1989, Vol. 91, No. 9, p. 5707-5721.

63. Elamrani K., Blume A. //Biochim. Biophys. Acta, 1984, Vol. 769, p. 578-584.

64. Spink C., Clouser D., O'Neil J. //Biochim. Biophys. Acta, 1994, Vol. 1191, No. l,p. 164-172.

65. Santaella C., Vierling P., Riess J., Gulik-Krzywicki Т., Gulik A., Monasse B. //Biochim. Biophys. Acta, 1994, Vol. 1190, No. 1, p. 25-39.

66. Mouritsen P. //Chem. Phys. Lipids, 1991, 57, No. 2,3, p. 179-194.

67. Dluhy R., Chowdhry В., Cannron. D. //Biochim. Biophys. Acta, 1985, Vol. 821, p. 437-444.

68. Волькенштейн M.B. Биофизика, M., Наука, 1981, с. 325-327.

69. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. М., Наука, 1990, с. 8.

70. Mantsch Н.Н., McElhaney R.N. //Chem. Phys. Lipids., 1991, 57, No 2,3 p. 213-226.

71. Weis R. //Chem. Physics Lipids, 1991, 57, No. 2,3, p. 227-239.

72. Yamazaki M., Miyazu M. and Asano T. //Biochim. Biophys. Acta, 1992, Vol. 1106, No 1, p. 94-98.

73. Watts A. and SpoonerP. //Chem. Phys. Lipids, 1991, 57, No. 2,3, p. 195-211.

74. Nagel N., Cevc G. and Kirchner S. //Biochim. Biophys. Acta, 1992, Vol. 1111, No. 2, p. 263-269.

75. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. М., Наука, 1981, с. 236-238.

76. Berclaz Т., McConnel Н.М. //Biochemistry, 1981, 20, р. 6635-6640.

77. Marassi F., Djnkic S. and Macdonald P. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1146, No. 2, p. 219-228.

78. Bernik L.D., Disalvo E.A. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1146, No. 2, p. 169-177.

79. Parasassi Т., Loiero M., Raimondi M., Ravagnan G. and Gratton E. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1153, No. 2, p. 143-154.

80. Dibble A., Feigenson Y., Feigenson G. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1153, No. 2, p. 155-162.

81. Huang L., Wang Z., Lin H. and Brumbaugh E.E. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1145, No. 2, p. 298-310.

82. Huang L., Wang Z., Lin H., Brumbaugh E.E. and Li S. //Biochim. Biophys. Acta, 1994, Vol. 1189, No. l,p. 7-12.

83. Lee A.G. //Biochim. Biophys. Acta, 1977, Vol. 472, p. 285-344.

84. Lee A.G. //Biochim. Biophys. Acta, 1975, Vol. 413, p. 11-23.

85. Shinitzyk M., Barenholz Y. //Biochim. Biophys. Acta, Vol.515, p. 367-394.

86. Harrison M.M., Roth M.R., Hooker A.A, Rintoul D. A. and Welti R. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1149, No. 2, p. 292-298.

87. Tari A., Fuller N., Boni L., Collins D., Rand P., Huang L. //Biochim. Biophys. Acta, 1994, Vol.1192, No 2, p.253-262.

88. Yaroslavov A.A., Kul'kov V.E., Polinsky A.S., Baibakov B.A., Kabanov V.A. //FEBS Lett. 1994,Vol 340, p. 121-123.

89. Щукин Е.Д., Перцов A.B., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., Издательство МГУ, 1982, с. 98.

90. Tournois Н. and de Kruijff В. //Chem. Phys. Lipids, 1991, 57, No. 2,3, p. 327340.

91. Smits E., Blandamer M., Briggs В., Cullis P. and Engberts J. //Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, J. Royal Netherlands Chem. Soc., 1996, Vol. 115, p.37-43.

92. Saez R., Alonso A., Villena A., Goni F.M. //FEBS Lett., 1982, Vol. 137, No. 2, p. 323-326.

93. Posse M., De Arcuri B.F., Morero R.D. //Biochim. Biophys. Acta, 1994, Vol. 1193, No. l,p. 101-106.

94. Komatsu M., Okada S. //Biochim. Biophys. Acta, 1995, Vol. 1235, No. 2, p. 270-280.

95. Walter A., Steer G.I., Blumenthal R. //Biochim. Biophys. Acta, 1986, Vol. 861, No. 2, p. 319-330.

96. Oku N., Yamaguchi Na., Yamagushi No., Nango M. //Biochemistry, 1987, 100, No. 4, p. 935-944.

97. Takahashi H., Matuoka S., Kato S., Ohki K., Hatta I. //Biochim. Biophys. Acta, 1991, Vol. 1069, p. 229-234.98. de Kruijff В., Rietveld A.,Telders N.,Vaandrager B. //Biochim. Biophys. Acta, 1985, Vol. 820, p. 295-304.

98. GadE.A. //Biochim. Biophys. Acta, 1983, Vol. 728, p. 377-382.

99. Ярославов A.A., Кученкова O.E., Ярославова Е.Г., Кабанов В.А. //Доклады академии наук, 1987, Т. 354, с. 350-352.

100. Takahashi H., Matuoka S., Kato S., Ohki K., Hatta I. // Biochim. Biophys. Acta, 1992, Vol. 1110, p.29-36.

101. Carrier D., Dufource J., Jean-F.Faucon, Pesolet M. //Biochim. Biophys. Acta, 1985, Vol. 820, p. 131-139.

102. Walter A., Margolis D., Blumenthal R. //Biophys. J., 1984, Vol. 45, No. 2, p. 72.

103. Yaroslavov A.A., Efimova A.A., Kul'kov V.E., Kabanov V.A. //Polym. Sci., 1994, Vol. 36, p. 264-270.

104. Ringsdorf H., Sackmann E., Simon J., Winnik F.M. //Biochim. Biophys. Acta, 1993, Vol. 1153, p. 335-344.92

105. Gad A.E., Silver B.L., Eytan G.D. //Biochim. Biophys. Acta, 1982, Vol. 690 p. 124-132.

106. Ulrich K.O. Schroelder, Tirell D.A. //Macromolecules, 1989, Vol. 22, p. 765769.

107. Fuoss R.M., Strauss U.P.//J. Polymer Sei., 1948, Vol. 3, p. 246.