CC BY
33УДК 544.35+547.458.68
М.В. Ольхович, А.В. Шарапова, С.В. Блохина
Марина Васильвна Ольхович (ЕЗ), Анжелика Валерьевна Шарапова, Светлана Витальевна Блохина
Лаб. 4-1 Физическая химия лекарственных соединений, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук, ул. Академическая, 1, Иваново, Российская Федерация, 153045 E-mail: [email protected] (Kl), [email protected], [email protected]
ВЛИЯНИЕ 2-ГИДРОКСИПРОПИЛ^-ЦИКЛОДЕКСТРИНА НА РАСТВОРИМОСТЬ НОВЫХ
ЦИТОТОКСИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методом УФ-спектроскопии изучены процессы комплексообразования в системах 2-гидроксипропил^-циклодекстрин - цитотоксические вещества в интервале температур 293-315 К. Доказано образование супрамолекулярных соединений включения стехиометрического состава 1:1. Рассчитаны константы устойчивости комплексов и термодинамические параметры образования соединения включения 2-гидроксипропил-ß-циклодекстрин - трис(1-пентил-1Н-индол-3-ил)метанол. Установлено, что полученный комплекс 2-гидроксипропил^-циклодекстрин - хлорид трис(1-пентилиндол-3-ил)мети-лия является неустойчивым.
Ключевые слова: комплексы включения, 2-гидроксипропил^-циклодекстрин, цитотоксич-ность, константа устойчивости, термодинамика
M.V. Ol'khovich, A.V. Sharapova, S.V. Blokhina
Marina V. Ol'khovich (M), Angelica V. Sharapova, Svetlana V. Blokhina
Laborotary of Physical Chemistry of Medicinal Compounds, Institute of Solution Chemistry,
Russian Academy of Sciences, Akademicheskaya str., 1, Ivanovo, 153045
E-mail: [email protected] (El), [email protected], [email protected]
EFFECT OF 2-HYDROXYPROPYL- p -CYCLODEXTRIN ON SOLUBILITY OF NOVEL
CYTOTOXIC COMPOUNDS
Complexation processes in the systems of 2-hydroxylpropyl-p-cyclodextrin - cytotoxic substances within the temperature range of 293 - 315 K were studied by the UV-spectroscopy method. It was proved that complexation leads to the formation of supramolecular inclusion compounds with 1:1 component ratio. Stability constants of the complexes and thermodynamic parameters of the formation of the inclusion compound 2-hydroxylpropyl-p-cyclodextrin - tris(1-pentyl-1H-indol-3-yl)methanol were calculated. The obtained complex of 2-hydroxylpropyl-p-cyclodextrin - tris(1-pentyl-1H-indol-3-yl) methylium chloride was found to be unstable.
Key words: inclusion complexes, 2-hydroxypropyl-P-cyclodextrin, cytotoxicity, stability constant, thermodynamics
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы внимание исследователей привлекают соединения, содержащие в структуре фрагмент трифенилметана [1-5]. Среди соединений такого типа были обнаружены вещества с антипролиферативной активностью. Авторами [6] был разработан метод получения симметричных трис(1-алкилиндол-3-ил)метанов и при их окислении получена серия солей трис(1-алкилин-
дол-3-ил)метилиев. Наиболее высокую цитоток-сичность в полученном ряду солей проявил хлорид трис(1-пентил-1Н-индол-ил)метилия. Было установлено, что данное соединение обладает противоопухолевой активностью на культурах клеток метастатической меланомы, резистентных к химиотерапии [7]. Основной проблемой клинического применения данных соединений является их низкая растворимость и плохая биодоступность. Одним из направлений на пути повышения
биодоступности и расширения возможности создания парентеральных и жидких пероральных лекарственных форм является создание растворимых комплексов включения на основе цикло-декстринов (ЦД). ЦД способны формировать комплексы включения с большим количеством гидрофобных соединений, и такие комплексы успешно используются для повышения химической стабильности, растворимости и биодоступности многих препаратов [8].
Из многочисленных производных цикло-декстринов 2-гидроксипропил-Р-циклодекстрин (2ГП-Р-ЦД) имеет наибольшую растворимость в воде и биодоступность [9]. Кроме того, известны токсилогические исследования, показывающие, что 2ГП-Р-ЦД хорошо переносится человеком при оральном и внутривенном введении [10].
Целью представленного исследования является получение устойчивых комплексов включения лекарственных соединений трис(1-пентил-1Н-индол-3-ил)метанол и хлорид трис(1-пентил-индол-3-ил)метилия с 2-гидроксипропил-Р-цикло-декстрином с улучшенной растворимостью и изучение термодинамики процесса комплексообразо-вания.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Соединения трис(1 -пентил- 1Н-индол-3 -ил)-метанол (I) и хлорид трис(1-пентилиндол-3-ил)метилия (II) были синтезированы по методике, описанной в работе [6]. Строение и чистота полученных соединений были подтверждены методами спектрометрии (ИК-, УФ-, ПМР-), ТСХ, ВЭЖХ, элементным анализом.
2ГП-Р-ЦД был получен Aldrich (CAS Registry N 128446-35-5; > 0,97 массовой доли чистоты). В качестве водной фазы использовался фосфатный буфер с pH 7,4, моделирующий среднее значение pH плазмы крови. Буферный раствор получали путем смешивания растворов соответствующих концентраций солей натрия и калия фосфорной кислоты (Na2HPO4- I2H2O и КН2РО4 марки «х.ч.»). Кислотность растворов измеряли с использованием рН-ион-электроанализатора типа OP-300, Radelkis, Будапешт, стандартизированного по значениям рН 6,86 и 9,22.
Изучение растворимости комплексов включения заключалось в количественном определении растворимости исследуемого соединения при различных концентрациях циклодекстрина. На основе полученных данных были построены диаграммы фазовой растворимости [11]. Избыточное количество исследуемого соединения добавляли в фосфатный буферный раствор с 2ГП-Р-ЦД. Концентрация 2ГП-Р-ЦД варьировались от 0
до 0,2 моль/л. Приготовленные растворы помещали в стеклянные пробирки и перемешивали в воздушном термостате в интервале температур 293315 К в течение 72 ч. После установления равновесия растворы центрифугировали и отфильтровывали с применением фильтра МШех®НА (Ирландия) 0,20 цт. Концентрацию растворенных соединений определяли с помощью спектрофотометра Сагу50 (Уапап) с использованием 1 см кварцевой кюветы.
Стехиометрию комплексов устанавливали методом изомолярных серий (метод Джоба) [12]. Измерения проводили на серии растворов, в которых общая сумма молярной концентрации цикло-декстрина и исследуемых соединений была постоянна, а их соотношение изменялось.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структурные формулы исследуемых соединений I и II представлены на рис. 1.
II
Рис. 1. Структурные формулы исследуемых соединений Fig. 1. Structural formulae of the compounds I, II
Для изучения процессов растворения соединений I и II в присутствии 2ГП-Р-ЦД были построены диаграммы растворимости данных веществ с различными концентрациями цикло-декстрина. На рис. 2 представлены диаграммы фазовой растворимости исследуемых соединений при температуре 298 К. Установлено, что максимальная растворимость соединения I достигается
в растворе 2ГП-Р-ЦД с концентрацией 0,179 моль/л, при этом наблюдается увеличение растворимости в 37 раз. Растворимость соединения II в растворе 2ГП-Р-ЦД (0,051 моль/л) увеличилась в 137 раз. Значительное увеличение растворимости свидетельствует о том, что между 2ГП-Р-ЦД и препаратами происходит взаимодействие и образуются комплексы. Для всех полученных комплексов включения наблюдалось линейное увеличение растворимости соединений с возрастанием концентрации 2ГП-Р-ЦД, поэтому полученные фазовые диаграммы могут быть рассмотрены как диаграммы AL-типа [11]. Линейность данных зависимостей свидетельствует об образовании комплексов состава 1:1 между исследуемыми соединениями и 2ГП-Р-ЦД.
3,0x10-3-
2,5x10-3-
л 2,0x10-3-
о
Я
„ 1,5x10-
<л
1,0x10-3-
5,0x10-4-
0,0_
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20
S , моль/л
Рис. 2. Диаграммы фазовой растворимости соединений I, II в
присутствии 2ГП-Р-ЦД при Т = 298 К Fig. 2. Phase-solubility diagram of compounds I, II in the presence of 2HP-P-CD in buffer at 298 K
-5,0x10
OO 7
* -1,0x107
Q
<1
-1,5x10-7
-2,0x10
-2,5x10
0,2 0,3 0,4
0,7 0,8 0,9
обоих компонентов. На рис. 3 представлены кривые Джоба исследуемых систем, для которых при мольном соотношении 0,5 наблюдается минимум, что соответствует формированию комплекса 1:1.
По данным диаграммы растворимости, используя уравнение (1), рассчитывали константу устойчивости комплексов включения 1:1:
slope
K =
S0 (1 - slope)
(1)
Константы устойчивости комплексов включения при 298 К для соединений I и II были равны 252,9±2,8 л/моль и 2404,6±5,4 л/моль соответственно.
Для проверки стабильности полученных комплексов была изучена кинетика растворения соединений I и II. Кинетические зависимости растворимости представлены на рис. 4.
7,0x10-
6,0x10"
5,0x10-4-
Д
Ч
о 4,0x10-4
§
cS 3,0x10-2,0x10-4-1,0x10-0,0-
50
100
150
200
t, ч
0,5 0,6 R
Рис. 3. Кривые Джоба для процесса комплексообразования
соединений I-II с 2ГП-Р-ЦД при температуре 298 К Fig. 3. Job's curves for complexation of 2HP-P-CD with compounds I - II in buffer at 298 K
Стехиометрия полученных комплексов включения 1: 1 была подтверждена методом Джоба [12]. Для этого строился график измеряемой оптической плотности раствора, пропорциональной образованию комплекса, от мольных долей
Рис. 4. Кинетические зависимости растворимости соединений I и II в присутствии различных концентраций 2ГП-Р-ЦД Fig. 4. Kinetic dependences of solubility for compounds I, II in the presence of various concentrations of 2HP-P-CD
Как видно из рис. 4, комплекс включения соединения I с 2ГП-Р-ЦД устойчив в течение длительного времени. Растворимость соединения II в присутствии 2ГП-Р-ЦД со временем уменьшается. Экспериментально было установлено, что соединение II в растворе буфера pH 7,4 полностью гидролизуется в течение 60 ч, и его растворимость уменьшается с 2,12-10-5 моль/л до 6,32-10-7 моль/л. В присутствии 2ГП-Р-ЦД повышенная растворимость соединения II сохраняется в течение длительного времени и не опускается ниже растворимости индивидуального соединения, что можно объяснить солюбилизирующим действием циклодекстрина.
Для устойчивого комплекса включения соединения I были построены диаграммы фазовой растворимости при различных температурах. Установлено, что растворимость соединения в присутствии 2ГП-Р-ЦД увеличивается с повыше-
i
0
нием температуры. Это может быть обусловлено освобождением молекул воды, связанных в полости циклодекстрина [13].
В табл. 1 представлены значения параметров уравнения 1 и константы устойчивости полученного комплекса включения соединения I при различных температурах. Установлено, что константы устойчивости уменьшаются с ростом температуры, что характерно для экзотермического процесса комплексообразования [14, 15].
Таблица 1
Значения параметров уравнения 1 и константы устойчивости комплекса 2ГП-Р-ЦД с соединением I в буфере pH 7,4 Table 1. The values of the parameters of equation (1) and the stability constants of the complex 2HP-P-CD
Т/К S0-106, моль/л slope-103 К, л/моль Коэффициент корреляции, R
293 2,50 1,533+0,018 614,13+ 7,36 0,9996
298 6,32 1,596+0,017 252,94+2,78 0,9998
303 11,30 1,637+0,018 145,12+1,59 0,9994
311 23,68 1,601+0,015 67,72+0,63 0,9991
315 39,47 1,748+0,014 44,28+0,35 0,9987
Термодинамические и структурные характеристики комплексообразования позволяют оценить солюбилизирующее и стабилизирующее действие циклодекстрина и степень изменения физико-химических свойств молекул "гостей", введенных в полость циклодекстрина. Термодинамические параметры образования комплекса включения 2ГП-Р-ЦД - соединение I были получены из логарифмической зависимости константы устойчивости от обратной температуры, которое описывается уравнением: 1п^ = (30,94 ± 2,24) + (10905 ± 681)Т c коэффициентом корреляцией R = 0,9972.
Для вычисления значений энтальпии и энтропии процесса комплексообразования использовалась интегральная форма уравнения Вант-Гоффа [16]:
ln K = -
AH0 AS
(2)
Таблица 2
Термодинамические параметры комплекса включения 2ГП-Р-ЦД с соединением I (1:1) в буфере pH 7,4 при 298 К Table 2. Thermodynamic parameters of the formation complex 2HP-P-CD with a compound I in buffer pH 7.4 at 298 K
К, л/моль AG, кДж/моль AH, кДж/моль TAS, кДж/моль
252,9+2.8 -13,7 + 0,1 -90,7 + 5,2 -76,9 + 4,4
КГ Я
где АН и - энтальпия и энтропия процесса комплексообразования, соответственно, Г — температура, К - газовая постоянная.
Изменение энергии Гиббса было рассчитано с использованием уравнения:
ЛG = ^ШГ (3)
Полученные термодинамические параметры представлены в табл. 2.
Отрицательные значения изменения энергии Гиббса и энтальпии показывают, что процессы взаимодействия соединения I с 2ГП-Р-ЦД самопроизвольны и экзотермичны. Отрицательные значения АН свидетельствуют о достаточно сильных межмолекулярных взаимодействиях при ком-плексообразовании, которые связаны не только с силами ван-дер-Ваальса, но и с образованием водородных связей [17]. Как утверждают авторы [14, 15], эти взаимодействия являются результатом проникновения гидрофобного гостя в полость циклодекстрина, а также дегидратацией молекул гостя.
Отрицательные изменения энтропии процесса комплексообразования можно объяснить уменьшением трансляционной и вращательной степеней свободы молекулы гостя при внедрении в макрополость циклодекстрина и созданием более упорядоченной системы. Превышение (по абсолютной величине) энтальпийной составляющей над энтропийной показывает, что процесс включения является энтальпийно-определяемым.
ВЫВОДЫ
С помощью УФ-спектроскопии было изучено поведение фармакологически активных веществ в буферном растворе, содержащем различные концентрации 2ГП-Р-ЦД. Установлено, что растворимость препаратов линейно возрастает с увеличением концентрации 2ГП-Р-ЦД. Линейное увеличение растворимости можно отнести к образованию комплексов включения между соединениями I, II и 2ГП-Р-ЦД со стехиометрией 1:1. Выявлено, что полученный комплекс 2ГП-Р-ЦД -соединение II в буферном растворе с рН 7,4 является неустойчивым. Однако, повышенная растворимость соединения II в присутствии 2ГП-Р-ЦД сохраняется в течение длительного времени, что объясняется солюбилизирующим действием цик-лодекстрина. Для комплекса включения соединения I были рассчитаны константы устойчивости, а также основные термодинамические параметры процесса комплексообразования. Сделан вывод, что процесс образования супрамолекулярного комплекса 2ГП-Р-ЦД - вещество I является экзо-
термическим и энтальпийно-определяемым. Результаты данного исследования показали возможность использования 2ГП-Р-ТЩ для значительного увеличения растворимости исследованных препаратов в водных растворах, что приведет к уменьше-
ЛИТЕРАТУРА
1. Dothager R., Putt K.S., Alien B.J., Leslie B.J., Neste-renko V., Hergenrother P.J. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 8686 -8696.
2. Palchaudhuri R., Henrother P.J. // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008. V. 18. P. 5888-5891.
3. Palchaudhuri R., Nesterenko V., Hergenrother P.J. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 10274 -10281.
4. Cuchelkar V., Kopeckova P., Kopecek J. // Mol. Pharm. 2008. V. 5. P. 776-786.
5. Al-Qawasmeh R.A., Lee Y., Cao M-Y., Gu X., Vassila-kos A., Wright J.A., Young A. // Bioorg. Med. Chem. Lets. 2004. V. 14. P. 347-350.
6. Lavrenov S.N., Luzikov Y.N., Bykov E.E., Reznikova M.I., Preobrazhenskaya M.N., Stepanova E.V., Glazu-nova V.A., Volodina Y.L., Tatarsky Jr.V.V., Shtil A.A. // Bioorg. Med. Chem. 2010. V. 18. P. 6905-6913.
7. Соломко Э.Ш., Лавренов С.Н., Иншаков А.Н., Абрамов М.Е., Преображенская М.Н., Степанова Е.В. // Саркома. 2012. № 3. C. 48-52.
8. Del Valle E.M.M. // Process. Biochem. 2004. V. 39. P. 1088-1046.
9. Brewster. M.E., Loftsson T. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2007. V. 59. P.645-666.
10. Gould S., Scott R.S. // Food Chem. Toxicol. 2005. V. 43. P. 1451-1459.
11. Higuchi T., Connors K.A. // Adv. Anal. Chem. Instrum. 1965. V. 4. P. 117-212.
12. Job P. // Ann. Chim. 1928. V. 9. P. 113-203.
13. Jadhav G.S., Vavia P.R. // Int. J. Pharm. 2008. V. 352. P. 5-16.
14. Tommasini S., Raneri D., Ficarra R., Calabro M.L., Stancanelli R., Ficarra P. // J. Pharm. Biomed. Anal. 2004. V. 35. P. 379-387.
15. Rekharsky M.V., Inoue Y. // Chem. Rev. 1998. V. 98. P. 1875-1917.
16. Loftsson T., Duchene D. // Int. J. Pharm. 2007. V. 329. P. 1-11.
17. Eid E.E. M., Abdula A. B., Sulimand F. E. O., Sukarie M.A., Rasedeef A., Fataha R.S. // Carbohyd. Polym. 2011. V. 83. P.1707-1714.
нию необходимой дозировки, а, следовательно, понижению токсичности предлагаемых препаратов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-43-03085_рег_центр_а).
REFERENCES
1. Dothager R., Putt K.S., Alien B.J., Leslie B.J., Nesterenko V., Hergenrother P.J. // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 8686 -8696.
2. Palchaudhuri R., Henrother P.J. // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008. V. 18. P. 5888-5891.
3. Palchaudhuri R., Nesterenko V., Hergenrother P.J. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 10274 -10281.
4. Cuchelkar V., Kopeckova P., Kopecek J. // Mol. Pharm. 2008. V. 5. P. 776-786.
5. Al-Qawasmeh R.A., Lee Y., Cao M-Y., Gu X., Vass-ilakos A., Wright J.A., Young A. // Bioorg. Med. Chem. Lets. 2004. V. 14. P. 347-350.
6. Lavrenov S.N., Luzikov Y.N., Bykov E.E., Reznikova M.I., Preobrazhenskaya M.N., Stepanova E.V., Glazu-nova V.A., Volodina Y.L., Tatarsky Jr.V.V., Shtil A.A. // Bioorg. Med. Chem. 2010. V. 18. P. 6905-6913.
7. Solomko E.Sh, Lavrenov S.N., Inshakov A.N., Abramov M.E., Preobrazhenskaya M.N., Stepanova E.V. // Sarkoma. 2012. V. 3. P. 48-52.
8. Del Valle E.M.M. // Process. Biochem. 2004. V. 39. P. 1088-1046.
9. Brewster. M.E., Loftsson T. // Adv. Drug Deliv. Rev. 2007. V. 59. P.645-666.
10. Gould S., Scott R.S. // Food Chem. Toxicol. 2005. V. 43. P. 1451-1459.
11. Higuchi T., Connors K.A. // Adv. Anal. Chem. Instrum. 1965. V. 4. P. 117-212.
12. Job P. // Ann. Chim. 1928. V. 9. P. 113-203.
13. Jadhav G.S., Vavia P.R. // Int. J. Pharm. 2008. V. 352. P. 5-16.
14. Tommasini S., Raneri D., Ficarra R., Calabro M.L., Stancanelli R., Ficarra P. // J. Pharm. Biomed. Anal. 2004. V. 35. P. 379-387.
15. Rekharsky M.V., Inoue Y. // Chem. Rev. 1998. V. 98. P. 1875-1917.
16. Loftsson T., Duchene D. // Int. J. Pharm. 2007. V. 329. P. 1-11.
17. Eid E.E. M., Abdula A B., Sulimand F. E. O., Sukarie M.A., Rasedeef A., Fataha R.S. // Carbohyd. Polym. 2011. V. 83. P.1707-1714.
Поступила в редакцию 26.01.2016 г. Принята к опубликованию 10.03.2016 г.
