Журнал неорганической химии, 2020, T. 65, № 3, стр. 327-333

ВВЕДЕНИЕ

Комплексные соединения редкоземельных элементов (РЗЭ) используются в аналитической практике для обнаружения микроколичеств последних, в технике при получении оптических, в том числе светотрансформирующих материалов, в качестве прекурсоров для синтеза ряда функциональных композитов с практическими свойствами, в медицине в качестве люминесцентных агентов для ранней диагностики и лечения некоторых патологий [1–5].

В методе фотодинамической терапии, применяемой при лечении поверхностно расположенных злокачественных новообразований [6–11], используется селективно накапливающийся в опухолевых клетках фотосенсибилизатор. При облучении опухоли светом фотосенсибилизатор начинает вырабатывать активный кислород (синглетный кислород, пероксиды, другие подобные соединения), уничтожающий клетки опухоли [9, 11, 12]. В качестве фотосенсибилизатора широко используется отечественный препарат фотодитазин (ФД) на основе глюкаминовой соли хлорина Е6 [11, 12]. Недостатком метода фотодинамической терапии является его ограничение для применения в лечении полостных новообразований, поскольку видимый свет не способен проникать через ткани организма и, следовательно, не может активировать фотосенсибилизатор. Для преодоления этого недостатка было предложено [11] создать препарат, который наряду с фотосенсибилизатором включает коллоидный раствор нанолюминофора, испускающего под действием рентгеновского излучения видимый свет с длиной волны в области поглощения фотосенсибилизатора. После введения такого препарата в организм проводится локальное облучение злокачественной опухоли, при этом нанолюминофор преобразует излучение в видимый свет, необходимый для возбуждения флюоресценции фотосенсибилизатора и, как следствие, активации его фотодинамического действия на опухолевые клетки. В качестве нанолюминофоров были синтезированы образцы состава Zn₃(PO₄)₂:Mn²⁺ и Ba₃(PO₄)₂:Eu²⁺, обладающие малой токсичностью и наиболее высокой интенсивностью свечения при возбуждении жестким рентгеновским излучением с λ = 0.12–0.31 Å, что соответствует излучению медицинских терапевтических установок [11]. Для использования в составе медицинских препаратов при лечении онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии необходимы нанолюминофоры, излучающие в видимой области с λ = 650 и 400 нм [7, 9]. В качестве нанолюминофоров могут быть использованы синтезированные нами соединения на основе фосфатов, содержащие двух- и трехвалентный европий: метафосфат Eu(PO₃)₃:Eu²⁺ и ортофосфат EuPO₄:Eu²⁺ [12, 13]. Указанные люминофоры проявляют люминесценцию в области спектра от 400 до 700 нм, характерной как для Eu³⁺ (полосы ⁵D_о–⁷F_j (j = 0, 1, 2, 3, 4)-переходов), так и для Eu²⁺ (полоса перехода 4f⁶5d ⁸S_7/2 → ⁸S_7/2) [14]. Ранее были изучены оптические свойства фотодитазина [12]. Однако для расширения возможностей фотодинамической терапии необходимы также сведения о механизме взаимодействия фотосенсибилизатора и вводимого в раствор нанолюминофора.

Цель настоящей работы – исследование комплексообразования европия(III) методами люминесцентной и ИК-спектроскопии с одним из используемых в методе фотодинамической терапии для лечения онкологических заболеваний фотосенсибилизаторов – фотодитазином.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования комплексообразования европия с ФД использовали водный раствор хлорида европия, концентрация Eu(III) в котором составляла 6.6 × 10^–3 моль/л. Исходный рабочий водный раствор ФД с концентрацией 5 × 10^–3 моль/л готовили разбавлением концентрата “Фотодитазин для инфузий” 8 × 10^–3 моль/л (ООО “Вета-Гранд”, Россия). Соотношение Eu : ФД варьировали от 1 : 2.5 до 10 : 1. Синтез твердого комплексного соединения европия с фотодитазином проводили при рН 7–7.5 и соотношении Eu : ФД = 1 : 3. Полученное соединение отфильтровывали и высушивали. Исследование соединения на дифрактометре D8 Advance “BrukerAXS” (Германия) в СuK_α-излучении показало его рентгеноаморфность.

В каждом случае при добавлении определенных мольных количеств раствора Eu³⁺ к ФД регистрировали спектры люминесценции растворов при длине волны возбуждения λ_ex = 406 нм. Спектры люминесценции растворов и твердого образца при 300 K регистрировали на спектрофлуориметре Shimadzu RF-5301 PC. Выбор длины волны возбуждения люминесценции λ_ex = 406 нм был сделан по наиболее интенсивной линии после регистрации спектров возбуждения люминесценции образцов. ИК-спектры растворов и твердого образца, подготовленного в виде суспензии в вазелиновом масле на стекле KRS-5я, записывали при комнатной температуре на приборе Vertex 70 в области 4000–400 см^–1. Для исследования качественного и количественного элементного состава и морфологии образцов применяли метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). СЭМ-изображения образцов получали на электронном сканирующем микроскопе высокого разрешения Hitachi S 5500 (Япония), который использует in-lens технологию для получения как сверхвысокого разрешения, так высокой чувствительности EDS-анализа. Микроскоп оборудован EDS-спектрометром и позволяет проводить рентгенофлуоресцентный анализ и картирование образца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Комплексообразование европия(III) с ФД в растворе происходит в узком интервале рН – от 6 до 7. При рН < 6 фотодитазин выпадает в осадок, в то время как гидролиз хлорида европия происходит при рН 7.5–8. Первоначальное значение рН исходного раствора ФД равно 8.9. Для предотвращения образования при таком значении рН осадка гидроксида европия при добавлении к данному раствору водного раствора хлорида или нитрата европия рН рабочего раствора ФД доводили до 6.5 добавлением разбавленной соляной или азотной кислоты.

Данные о комплексообразовании европия с фотодитазином можно получить при сравнительном изучении спектрально-люминесцентных характеристик полученных растворов и исходных cоединений – хлорида европия и фотодитазина. Образование в растворе комплексных соединений европия с фотодитазином подтверждается сравнительным изучением спктрально-люминесцентных характеристик ФД и иона Eu³⁺. Следует отметить, что спектры люминесценции растворов соединений европия(III) по сравнению со спектрами твердых образцов отличаются обусловленной влиянием растворителя незначительной диффузностью. Кроме того, спектры люминесценции всех образцов регистрировали в идентичных условиях, что позволяет корректно использовать их для интерпретации. Европий в комплексных соединениях с неорганическими и органическими лигандами демонстрирует интенсивную люминесценцию красного цвета в области 550–700 нм с λ_max ≈ 620 нм [15, 16]. Ион Eu³⁺ имеет относительно простую картину расщепления ⁵D₀–⁷F_j-уровней (j = 0, 1, 2, 3, 4) в поле лигандов, что позволяет использовать данные люминесценции для изучения образования комплексных соединений в растворе [15, 16]. При постепенном добавлении к раствору ФД водного раствора европия в различных мольных соотношениях происходят изменения в положении полос переходов и распределении интенсивностей полос в спектрах люминесценции иона Eu³⁺. При этом в спектрах люминесценции растворов при увеличении соотношения Eu : ФД от 3 : 1 до 10 : 1 регистрируются характерные для иона Eu³⁺ полосы в области ⁵D₀–⁷F_j-переходов (j = 0, 1, 2, 4). На рис. 1 для сравнения приведены спектры люминесценции растворов при соотношении Eu : ФД = = 5 : 1 и 8 : 1 и исходного фотодитазина.

Рис. 1.

Спектры люминесценции фотодитазина (1) и растворов европия с фотодитазином: Eu : ФД = 5 : 1 (2) и 8 : 1 (3); (λ_eх = 406 нм), 300 K.

Учитывая сложное строение молекулы ФД (рис. 2 [17]) и наличие в его составе нескольких координационных центров (шесть атомов кислорода в составе трех карбоксильных групп и четыре атома азота в порфириновом кольце), можно предположить многообразие его координации с ионами Eu³⁺. Лиганды, содержащие карбоксильные группы, могут присоединяться к иону металла одним из следующих способов:

Рис. 2.

Структурная формула фотодитазина.

Согласно [18–21], наиболее вероятна бидентатная (циклическая или мостиковая) и тридентатная мостиково-циклическая координация карбоксилатного лиганда к лантанидам для реализации наиболее характерных для них КЧ 8–12. Осуществление той или иной координации при учете стремления РЗЭ к высоким КЧ зависит от количества карбоксильных групп. По мере увеличения числа карбоксильных групп, входящих в состав комплекса, их координация меняется от тридентатной мостиково-циклической к бидентатно-мостиковой, а затем к бидентатно-циклической и монодентатной [21]. Принимая во внимание, что для европия в комплексных соединениях КЧ > 6 [3, 15, 18], можно предположить возможность реализации в растворе разных способов присоединения ионов Eu³⁺ к ФД, в том числе образование димерных или полимерных комплексов, в которых в качестве мостиковых групп выступают карбоксилат-ионы, координируясь к иону Eu³⁺ по типу 5 [19, 20]. Так, при изменении соотношения реагентов и температуры из реакционной смеси при рН 6 выделены [20] трис-хелаты европия с пиромеллитовой (1,2,4,5-бензолтетракарбоновой) кислотой (ПМ), содержащей в своем составе четыре СООˉ-группы: Eu₄(ПМ)₃(Н₂О)₁₆, Eu₂(ПМ)₃(Н₂О)₆, Eu₄(ПМ)₃(Н₂О)₉(L)_m, где L – нейтральный лиганд: фенантролин (ФЕН), трифенилфосфиноксид (ТФФО), триизобутилфосфат (ТИБФ), трибутилфосфат (ТБФ), диметилформамид (ДМФА); m = 1, 2, 3 для ФЕН; m = 1 для ТФФО и ДМФА; m = 3 для ТИБФ и ТБФ. Молекулярные массы полученных полиядерных соединений, рассчитанные по содержанию концевых групп, имеют значения (8–20) ×10³. На молекулярную массу и состав полимера большое влияние оказывает соотношение исходных веществ. Полихелаты европия с пиромеллитовой кислотой наибольшей молекулярной массы получаются при эквимольном соотношении реагентов.

Как уже отмечалось, для всех растворов европия(III) с ФД регистрируется характерная для иона Eu³⁺ люминесценция в области ⁵D₀–⁷F_j-переходов (j = 0, 1, 2, 4), максимум которой приходится на ⁵D₀–⁷F_2.4-переходы. Следует учесть также возможность образования в растворах фотодитазина с европием различных по составу комплексов при изменении соотношения Eu : ФД от 3 : 1 до 10 : 1, что сказывается на изменении положения полос переходов и распределении их интенсивностей в отсутствие расщепления полос в спектрах люминесценции (рис. 1), а также в изменении относительной интенсивности люминесценции иона Eu³⁺. При этом наибольшую относительную интенсивность люминесценции в равных условиях регистрации спектров показывают комплексы в растворах при отношении Eu : ФД = = 10 : 1. Интенсивность полосы ⁵D₀–⁷F₂-перехода при λ ~ 640 нм в спектре люминесценции указанного раствора на три порядка больше, чем в спектре раствора хлорида европия. Таким образом, об образовании комплексных соединений европия(III) с фотодитазином свидетельствуют не только значительные изменения в характере расщепления штарковских компонент иона Eu³⁺ и в положении полос переходов по сравнению с этими характеристиками в спектрах люминесценции иона Eu³⁺ в водном растворе хлорида европия и исходного раствора фотодитазина, но и значительный рост относительной интенсивности люминесценции (рис. 3).

Рис. 3.

Спектры люминесценции фотодитазина (1, вставка – увеличение); растворов хлорида европия (2) и европия с фотодитазином Eu : ФД = 10 : 1 (λ_eх = 406 нм), 300 K.

По данным РФА, выделенный из раствора комплекс европия(III) с фотодитазином рентгеноаморфен. Энергодисперсионный спектр показывает наличие в составе комплекса четырех элементов: углерода, кислорода, азота и европия. Количество элементов в составе выделенного комплексного соединения составляет: С – 54.66 вес. % или 75.56 ат. %; О – 12.85 вес. % или 13.33 ат. %; N – 7.51 вес. % или 8.89 ат. %; Eu – 20.35 вес. % или 2.22 ат. %. ИК-спектр комплекса европия(III) с фотодитазином существенно отличается от спектра исходного лиганда – ФД (табл. 1). Это отличие заключается в заметном сдвиге частот колебаний и изменении характера поглощения в области 480–1560 и 3100–3300 см^–1. По сравнению с ИК-спектром исходного фотодитазина в ИК-спектре комплекса европия с ФД в области 480–630 см^–1 наблюдаются дополнительные полосы поглощения, обусловленные колебаниями связи Eu–О, деформационными колебаниями групп СОО^– и С–СN [21]. Дополнительные полосы поглощения и изменения в положении отдельных полос поглощения регистрируются также в области 770–1300 и 1540 –1630 см^–1, что, вероятно, обусловлено изменениями валентных и деформационных колебаний колец ФД, групп СН^–, СОО^–, С=N, металлоцикла в результате координации с ионом Eu³⁺ в комплексном соединении. Известно [22], что при образовании комплексных соединений РЗЭ с порфиринами с участием атомов азота происходит деформация порфиринового цикла, вызывающая сдвиг частот колебаний азомостиковых и пиррольных фрагментов. В ИК-спектре комплекса европия с ФД в области валентных симметричных колебаний ν_as(COO^–) появляется полоса при 1406 см^–1, отсутствующая в ИК-спектре свободного фотодитазина. При этом положение полос ν_as(COO^–) при 1306, 1377 и 1462 см^–1 не изменяется. В ИК-спектре комплекса появляются дополнительные полосы поглощения при 1600 и 1631 см^–1, которые можно отнести к колебаниям ν(С=О) карбоксильных групп. В этой области проявляются также колебания связи С=N порфиринового цикла. Полоса ν_as(COO^–) при 1564 см^–1 в ИК-спектре свободного ФД при образовании комплекса европия с ФД сдвигается к 1544 см^–1. Сложная структура полос поглощения в области валентных асимметричных ν_as(COO^–) (1500–1580 см^–1) и симметричных ν_s(COO^–) (1300–1420 см^–1) колебаний связей координированных карбоксильных групп [21] свидетельствует, по-видимому, о наличии химической неэквивалентности различных СОО-групп ФД в изучаемом соединении. Фотодитазин содержит четыре атома азота в составе –NH- и =N-групп. В области частот валентных колебаний этих групп, проявляющихся, согласно [21], в интервале 3200–3500 см^–1, в ИК-спектре комплекса наблюдаются изменения в положении полос (3186, 3267, 3280 см^–1) по сравнению с ИК-спектром исходного фотодитазина (3152, 3165, 3285 см^–1). Дополнительные полосы поглощения и изменения в положении отдельных полос в ИК-спектре комплекса европия(III) с ФД в области валентных и деформационных колебаний СОО^–- и NH-групп фотодитазина свидетельствуют об участии этих групп в образовании связей с ионом европия. Приведенные в обзоре [23] структурные данные указывают на возможность образования лантанидами в комплексных соединениях с порфиринами, имеющими в боковых цепях карбоксильные группы, связей как с атомами азота порфиринового цикла, так и с атомами кислорода этих карбоксильных групп. Данные элементного анализа указывают на образование комплексного соединения европия с фотодитазином в соотношении Eu : ФД = 1 : 1. С учетом вышесказанного и наиболее вероятных для лантанидов КЧ от 8 до 12 в полученном комплексном соединении может быть реализована координация европия четырьмя атомами азота и бидентатная координация атомами кислорода карбоксильных групп фотодитазина.

Сравнительный анализ спектрально-люминесцентных характеристик европия(III) в растворах в присутствии фотодитазина (рис. 3, кривая 3) и твердого образца комплексного соединения, выделенного из раствора при pH 7.3 и соотношении Eu : ФД = 10 : 1 (рис. 4а, кривая 1), показывает значительное сходство в положении полос переходов и интенсивностей линий по переходам ⁵D₀–⁷F_j. При этом соотношение интенсивностей полос переходов между собой в сравниваемых спектрах люминесценции идентично. Основная доля энергии излучения европия приходится на ⁵D₀–⁷F_1,2-переходы. Интенсивность полос, соответствующих ⁵D₀–⁷F_l-переходу, на столько же порядков ниже интенсивности линий перехода ⁵D₀–⁷F₂, как и ⁵D₀–⁷F₄-перехода. Следует отметить, что в области ~700 нм в спектрах люминесценции растворов и твердого образца помимо полос ⁵D₀–⁷F₄-перехода иона европия может проявляться самая интенсивная полоса люминесценции фотодитазина. Различия в спектрах люминесценции раствора и твердого образца комплекса наблюдаются лишь в характере расщепления полос переходов ⁵D₀–⁷F_j на компоненты в спектре твердого образца комплексного соединения. Уширение полос ⁵D₀–⁷F_j-переходов в спектре люминесценции раствора связано с влиянием растворителя. В длинноволновой области 450–500 нм в спектрах люминесценции и раствора, и твердого образца имеется полоса люминесценции, обусловленная, по-видимому, внутриконфигурационными f–f-переходами иона Eu³⁺ [16]. Таким образом, сравнение спектрально-люминесцентных характеристик раствора и кристаллического образца комплекса свидетельствует, по-видимому, об образовании в растворе комплексных соединений европия(III) в присутствии ФД.

Рис. 4.

Спектры (а) люминесценции твердого образца европия с фотодитазином (1) (λ_eх = 406 нм, 300 K) и поглощения фотодитазина (2); зависимость относительной интенсивности полосы ⁵D₀–⁷F₂-перехода в спектре люминесценции иона Eu³⁺ в растворе с фотодитазином (б) при возбуждении УФ-излучением (λ_eх = 406 нм, 8 ч, 300 K).

В методе фотодинамической терапии длина волны излучения нанолюминофора должна быть близка к длине волны поглощения фотосенсибилизатора для обеспечения эффективной работы препарата [6–11]. Фотодитазин, широко применяемый в последнее время в медицинской практике фотосенсибилизатор, имеет полосы поглощения в области 350–700 нм (рис. 4а, кривая 2). При облучении фотодитазина светом с длиной волны λ_eх = 406 нм наблюдается люминесценция в области 650–800 нм с λ_max = 680 нм (рис. 3, кривая 1). С учетом перекрывания полос люминесценции λ ~ ~ 400–700 нм растворов (рис. 3, кривые 2 и 3) и кристаллического образца (рис. 4а, кривая 1) с полосами поглощения ФД (рис. 4а, кривая 2) при добавлении хлорида европия к фотодитазину увеличивается передача энергии возбуждения фотодитазину. Следует добавить, что значительное уменьшение интегральной интенсивности полосы ⁵D₀–⁷F₂-перехода в спектре люминесценции иона Eu³⁺ в растворе с ФД (λ_eх = 406 нм) наблюдается после 8 ч (рис. 4б) при облучении мягким γ- излучением от спектрометрического источника ⁶⁰Co, активность которого по паспорту составляет 18.1 кБк. Кроме того, при диспергировании выделенного твердого комплекса европия(III) с ФД в воде образуется суспензия, что как раз необходимо для применения в методе фотодинамической терапии. Следовательно, такой комбинированный препарат из соли европия в сочетании с фотосенсибилизатором – фотодитазином способен более эффективно генерировать реактивные формы кислорода, чем сам фотодитазин, и может быть перспективным для использования в методе наружной фотодинамической терапии. К тому же использование подобных препаратов приводит, как показано в [11], к уменьшению количества выживших после облучения опухолевых клеток в 12–16 раз по сравнению с контрольным образцом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексообразование европия с фотодитазином при добавлении хлорида европия к фотодитазину подтверждается как ИК-спектроскопическим, так и сравнительным спектрально-люминесцентным исследованием. Об образовании комплексных соединений европия с фотодитазином свидетельствуют не только значительные изменения в характере расщепления штарковских компонент иона Eu³⁺ и в положении полос переходов по сравнению с этими характеристиками в спектрах люминесценции иона Eu³⁺ в водном растворе хлорида европия и исходного раствора фотодитазина, но и значительный рост относительной интенсивности люминесценции. При постепенном добавлении к раствору фотодитазина водного раствора хлорида европия в различных мольных отношениях происходят изменения в положении полос переходов и распределении интенсивностей полос в спектрах люминесценции иона Eu³⁺. При этом в спектрах люминесценции растворов при увеличении соотношения Eu : ФД от 3 : 1 до 10 : 1 регистрируются характерные для иона Eu³⁺ полосы в области ⁵D₀–⁷F_j-переходов (j = 0, 1, 2, 3, 4). Максимум люминесценции Eu³⁺ приходится на ⁵D₀–⁷F_2,4-переходы. Учитывая сложное строение молекулы ФД и наличие в его составе нескольких координационных центров (шесть атомов кислорода в составе трех карбоксильных групп и четыре атома азота в порфириновом кольце), можно предположить многообразие его координации с ионами Eu³⁺. Полосы люминесценции (λ ~ 400–700 нм) растворов и твердого образца перекрываются с полосами поглощения фотодитазина, что приводит к увеличению передачи энергии возбуждения фотодитазину при возбуждении УФ-светом и более эффективному генерированию реактивных форм кислорода. Добавление хлорида европия к раствору фотодитазина может быть использовано для направленного подведения светового излучения к фотодитазину при возбуждении УФ-светом.