Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2022, T. 503, № 1, стр. 16-20

Развивающаяся в настоящее время пандемия коронавируса стимулирует поиск новых противовирусных средств как среди низкомолекулярных, так и среди водорастворимых высокомолекулярных веществ. Среди полимеров высокий интерес исследователей вызывают полианионы, в частности сульфосодержащие полимеры, например, полистиролсульфонат натрия (поли-ССNa), поливинилсульфонат натрия и др., которые активны в отношении различных вирусов (гриппа, ВИЧ, герпеса, бешенства и др.) [1, 2]. Для биовизуализации клеток, вирусов, тканей и биологических процессов в последнее время используют металлополимерные комплексы лантаноидов − Eu³⁺, Tb³⁺ [3–6].

Для исследования взаимодействия полистиролсульфоната натрия (I) с вирусами и клетками в данной работе осуществлен синтез сополимера (II) стиролсульфоната натрия (ССNa) с 4-метакрилоиламидосалициловой кислотой (МАСК). Объекты исследования представлены на рис. 1. На их основе изучены условия формирования люминесцирующих комплексов ионов Tb³⁺ в водных растворах. 4-Аминосалициловая кислота является противотуберкулезным препаратом, а ее полимерные производные образуют люминесцирующие комплексы с Eu³⁺, Tb³⁺ [7, 8]. То есть синтезированный сополимер обладает полифункциональной биологической активностью.

Рис. 1.

Структурные схемы объектов исследования. Полистиролсульфонат натрия (I), сополимер стиролсульфоната натрия с 4-метакрилоиламидосалициловой кислотой (II), полиметакрилоиламидосалициловая кислота (III).

Сополимер и гомополимеры получали методом радикальной (со)полимеризации в растворах (ДМФА, ДМСО) в присутствии динитрила азобисизомасляной кислоты (ДАК) в качестве инициатора при 65°С в течение 24 ч. Выделяли полученные полимеры диализом против воды с последующей лиофильной сушкой. Молекулярные массы рассчитывали исходя из значений характеристической вязкости по формуле [η] = 1.17 × 10^–2М^0.69 для полистиролсульфоната натрия [9]: для I молекулярная масса составила 31 × 10³, для сополимера II − 84 × 10³. Содержание МАСК, используемой в качестве метки хелата для получения люминесцирующего зонда, определенное УФ-спектрофотометрически в сополимере составило 7 мол. %.

Исследовали водные растворы с концентрацией сополимера 1.5 и 0.12 мг мл^–1 и рН 8−9. Соотношение [COO⁻]/[Tb³⁺] варьировали добавлением раствора TbСl₃ (с = 5 × 10⁻⁴ моль л^–1) к раствору сополимера.

Спектры поглощения растворов регистрировали на спектрофотометре СФ256 УВИ (ООО “ЛОМО Фототоника”, Россия). Спектры возбуждения и люминесценции растворов записывали на спектрофлуориметре LS100 (фирма “PTI”, Канада). Время жизни возбужденного состояния комплекса Tb³⁺ с сополимером II (τ_фосф,) определяли из кинетической кривой спада интенсивности фосфоресценции. Измерения проводили в термостатируемой ячейке при 25°С в кварцевой кювете с длиной оптического пути 1 см.

На рис. 2а приведены спектры поглощения водных растворов (со)полимеров I, II, III в интервале длин волн 220−400 нм. В спектрах поглощения раствора сополимера II (рис. 2а, спектр 1) присутствует полоса λ_макс = 265 нм, обусловленная π–π* электронными переходами в ароматическом кольце. Эта полоса представляет собой суперпозицию двух полос I (λ_макс = 262 нм, рис. 2а, спектр 2), и III (λ_макс = 267 нм, рис. 2а, спектр 3). На рис. 2б приведены спектры возбуждения и люминесценции сополимера II.

Рис. 2.

(а) УФ-спектры водных растворов исследуемых (со)полимеров – сополимер (ССNa–МАСК) (спектр 1), поли-МАСК (спектр 2), поли-ССNa (спектр 3); (б) спектры возбуждения (черная кривая) λ_эм = 402 нм и люминесценции (зеленая кривая) сополимера (ССNa−МАСК), λ_возб = 302 нм, рН 8.5.

На рис. 3 приведены спектры возбуждения и люминесценции ионов Tb³⁺ в растворе сополимера II при разных концентрациях сополимера.

Рис. 3.

Спектры возбуждения (черные кривые) λ_эм = 544 нм и люминесценции Tb³⁺ (зеленые кривые) в растворе сополимера (ССNa–МАСК) при концентрациях сополимера: 1.57 мг мл^–1 (1) и 0.12 мг мл^–1 (2). [Tb³⁺]/[COO^–] = 1. λ_возб = = 335 нм (1), λ_возб = 310 нм (2). Значения I для кривых 1' и 2' умножены на коэффициент 5.0.

При сравнении рис. 2а и 3 видно, что спектры возбуждения и поглощения растворов комплекса Tb³⁺/II и исходного раствора сополимера II различаются по форме и, кроме того, в отличие от спектров поглощения растворов II, существенно изменяются с изменением концентрации сополимера. В комплексах лантаноидов соотношение между полосами, обусловленными поглощением лиганда и поглощением иона лантаноида, зависит не только от их молярных коэффициентов поглощения, но и от эффективности сенсибилизации люминесценции [6]. Существенное изменение формы спектров возбуждения при уменьшении концентрации сополимера указывает на перестройку внутренней сферы комплекса, связанную с изменением числа СОО^–-групп и молекул воды, координированных Tb³⁺.

В спектрах возбуждения при с = 1.57 мг мл^–1 присутствует одна полоса с λ_макс = 335 нм, в то время как при с = 0.12 мг мл^–1 в спектре появляются полосы с максимумами 227, 258, 268, 296, 310 нм (рис. 3, спектры 1, 2). Наблюдаемый эффект влияния концентрации обусловлен конкуренцией в связывании ионов Tb³⁺ звеньями стиролсульфоната и МАСК. Стиролсульфонат как анион сильной кислоты слабо координирует ионы Tb³⁺, поэтому при концентрации сополимера II с_II ≥ 1.5 мг мл^–1 они в основном связываются звеньями МАСК. Но так как константы образования комплексов ионов лантаноидов с карбоксильными группами находятся в интервале (1 × 10⁴)−(1 × 10⁶) [10], то при разбавлении раствора равновесие смещается в сторону формирования “координационно ненасыщенных” комплексов типа Tb³⁺(COO^–)_3 – n (n = 1, 2).

Измерения времен жизни τ_фосф возбужденного состояния комплексов Tb³⁺ с сополимером II определяли из кинетических кривых спада интенсивности фосфоресценции. Кинетические кривые описываются двухэкспоненциальной зависимостью c τ_фосф = 823 и 157 мкс, значения предэкспоненциального множителя составляют 0.92 и 0.08 соответственно. Основываясь на проведенных в работе [11] расчетах, можно предположить, что полимерный комплекс Tb³⁺/II может содержать примерно до 4 молекул воды.

В спектрах фотолюминесценции растворов Tb³⁺ с сополимером II для исследованных концентраций (рис. 3) наряду с полосами 495, 545, 587, 622 нм, характерными для Tb³⁺, обусловленными переходами ⁵D₄ → ⁷F_j (j = 6, 5, 4, 3), присутствует полоса люминесценции МАСК λ = 402 нм, что указывает на неполноту передачи энергии с триплетного уровня лиганда на резонансный уровень Tb³⁺. Известно, что если внутрисистемный перенос недостаточно эффективен, то частичная замена люминесцирующих ионов на ионы Gd³⁺ может способствовать возрастанию интенсивности люминесценции ионов лантаноидов [12–14]. Макромолекулярные комплексы Gd³⁺ помимо использования в МРТ перспективны для одновременного проведения МРТ и направленных терапевтических процедур [15], а также могут быть совмещены с другими способами визуализации.

На рис. 4 приведено изменение интенсивности люминесценции комплекса Tb³⁺/II, нормированной к 1 при [Tb³⁺] = 4 × 10^–5 моль л^–1, при добавлении ионов Gd³⁺ (черные квадраты). Соотношение [Tb³⁺]/[Gd³⁺] изменяли от 0.6 до 16, уменьшая концентрацию Tb³⁺, но сохраняя при этом общую концентрацию ионов Tb³⁺ и Gd³⁺ постоянной и равной 4 × 10^–5 моль л^–1. Для сравнения в тех же координатах приведена зависимость для Tb³⁺/II без Gd³⁺ (сплошная кривая).

Рис. 4.

Изменение интенсивности люминесценции  ($I_{{544}}^{{{\text{отн}}}}$),  нормированной  к  1  при  [Tb³⁺] = 4 × 10^–5 моль л^–1, раствора комплекса Tb³⁺/II при добавлении ионов Gd³⁺ (черные квадраты 2), и аналогичная зависимость − в отсутствие ионов Gd³⁺ (сплошная кривая 1) при изменении концентрации Tb³⁺.

Из рис. 4 видно, что добавление Gd³⁺ не влияет на люминесценцию Tb³⁺ при всех соотношениях [Tb³⁺]/[Gd³⁺]. Возможно, это вызвано тем, что либо Gd³⁺ связывается звеньями стиролсульфоната, либо Gd³⁺, замещая Tb³⁺ в комплексе с II, создает дополнительную ступень передачи энергии электронного возбуждения на излучающий уровень Tb³⁺, что способствует усилению люминесценции, компенсируя уменьшение концентрации комплексов Tb³⁺/МАСК в сополимере.

Таким образом, формирование комплексов сополимера (ССNa–МАСК) с ионами Tb³⁺, а также биметаллических комплексов Tb³⁺ и Gd³⁺ с сополимером II открывает перспективы создания водорастворимых полимерных полифункциональных биологически активных веществ с противовирусной активностью, содержащих зонды с оптическими и магнитно-резонансными свойствами, для диагностики и визуализации клеток, органов и тканей.