Зависимость антимикробных эффектов гуанидинсодержащих производных пектина от некоторых структурных характеристик

Введение. К настоящему времени практически отсутствуют данные о взаимосвязи между биологической активностью и структурными характеристиками антимикробных полимеров, синтезируемых путем химического присоединения гуанидиновых групп к макромолекулам полисахаридов. В связи с этим обстоятельством, представляется интересным осуществление химической модификации гуанидина природными полимерами в частности полиальдегидпектином и проведение сравнительных исследований антимикробной активности полученных образцов, имеющих различные физико-химические характеристики.

Цель. Синтез гуанидинсодержащих производных пектина и установление влияния структурных вариаций, полученных образцов на проявления антимикробных свойств.

Материалы и методы. Синтез гуанидинсодержащих производных пектина состоял из следующих стадий: периодатное окисление полисахарида, модификация гуанидина посредством полиальдегидпектина и химическое восстановление азометиновых связей. Количество гуанидина в полученных образцах вычислено ацидиметрическим титрованием, содержание азота (N, %) определено с помощью элементного анализатора марки Eura EA (Italy). Значения рКα синтезированных соединений найдены методом обратного титрования. Спектры поглощения были сняты на спектрофотометре «UV 1280» (Shimadzu, Japan), в диапазоне λ = 180–400 нм. ИК-спектры записывали на спектрометре Vector-22 в области длин волн 400–4000 см^-1 в таблетках KBr (3 мг образца / 300 мг KBr). Молекулярно-массовые характеристики синтезированных производных, определяли методом высокоэффективной гельпроникающей хроматографии на жидкостном хроматографе Agilent 1260 Infiniti. Острая токсичность гуанидинсодержащих производных пектина определена методом Прозоровского. Сравнительная оценка антимикробной активности проводилась методом диффузии в агар.

Результаты и обсуждение. Варьируя степенью окисления полиальдегидпектина, синтезированы соединения, отличающиеся степенью замещения, содержанием гуанидина, молекулярной массой и значением рКα. Установлено, что выраженность антибактериальной и противогрибковой активности исследованных образцов зависит от степени замещения и природы противоиона. С увеличением количественного содержания гуанидиновых групп в макромолекулярной цепи пектина, возрастает противомикробное действие. Обнаружено, что замена низкомолекулярных Cl^–, NO₃^– , F^–, I^– противоионов на карбоксилат-анионы приводит к резкому уменьшению антимикробных свойств. При пероральном введении синтезированных соединений мышам установлено, что все образцы относятся к разряду практически не токсичных веществ (V-й класс).

Заключение. Сравнительный анализ гуанидинсодержащих производных пектина с различными характеристиками показал, что выраженность антимикробного действия синтезированных соединений в отношении бактерий и грибов рода Candida зависит от количественного содержания катионных группировок и природы противоиона.

1. Aslam B., Wang W., Arshad M. I., Khurshid M., Muzammil S., Rasool M. H. Antibiotic resistance: a rundown of a global crisis. Infection and Drug Resistance. 2018;11:1645–1658. DOI: 10.2147/idr.s173867.

2. Ergene C., Yasuhara K., Palermo E. F. Biomimetic antimicrobial polymers: recent advances in molecular design. Polymer Chemistry. 2018;9:2407–2427. DOI: 10.1039/C8PY00012C.

3. Babutan I., Lucaci A., Botiz I. Antimicrobial Polymeric Structures Assembled on Surfaces. Polymers. 2021;13(10):1552. DOI: 10.3390/polym13101552.

4. Namivandi-Zangeneh R., Wong E. H., Boyer C. Synthetic Anti-microbial Polymers in Combination Therapy: Tackling Antibiotic Resistance. ACS Infectious Diseases. 2021;7(2):215–253. DOI:10.1021/acsinfecdis.0с00635.

5. Mortazavian H., Foster L. L., Bhat R., Patel S., Kuroda K. Decoupling the functional roles of cationic and hydrophobic groups in the antimicrobial and hemolytic activities of methacrylate random copolymers. Biomacromolecules. 2018;19:4370–4378. DOI: 10.1021/acs.biomac.8b01256.

6. Molotkovsky R. J., Galimzyanov T. R., Ermakov Yu. A. Heterogeneity in Lateral Distribution of Polycations at the Surface of Lipid Membrane: From the Experimental Data to the Theoretical Model. Materials. 2021;14:6623. DOI: 10.3390/ma14216623.

7. Yanez-Macías R., Munoz-Bonilla A., De Jesus-Tellez M. A., Maldonado-Textle H., Guerrero-Sánchez C., Schubert U. S., Guerrero-Santos R. Combinations of Antimicrobial Polymers with Nanomaterials and Bioactives to Improve Biocidal Therapies. Polymers. 2019;11(11):1789. DOI: 10.3390/polym11111789.

8. Григорьева М. Н., Стельмах С. А., Астахова С. А., Центер И. М., Базарон Л. У., Батоев В. Б., Могнонов Д. М. Синтез сополимеров гидрохлоридов полиалкилгуанидинов и их антибактериальная активность в отношении условно-патогенных микроорганизмов Bacillus cereus и Escherichia coli. Химико-фармацевтический журнал. 2015;49(2):29–33. DOI: 10.30906/0023-1134-2015-49-2-29-33.

9. Qian L., Guan Y., He B., Xiao H. Modified guanidine polymers: Synthesis and antimicrobial mechanism revealed by AFM. Polymer. 2008;49(10):2471–2475. DOI: 10.1016/j.polymer.2008.03.042.

10. Zhang Z., Peng P., Wu Q., Zhang J., Wu M., Liu J., Yang J. Preparation and antibacterial properties of poly(hexamethylene guanidine hydrochloride) modified ionic waterborne polyurethane. Progress in Organic Coatings. 2021;156:106246. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2021.106246.

11. Chen S., Li C., Hou T., Cai Y., Liang L., Chen L., Li M. Polyhexamethylene guanidine functionalized chitosan nanofiber membrane with superior adsorption and antibacterial performances. Reactive and Functional Polymers. 2019;145:104379. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2019.104379.

12. Ахмедов О. Р., Шомуротов Ш. А., Тураев А. С. Особенности синтеза и антимикробные свойства гуанидинсодержащих производных карбоксиметилцеллюлозы. Химия растительного сырья. 2021;3:73-82. DOI:10.14258/jcprm.2021038705.

13. Шомуротов Ш. А., Ахмедов О. Р., Тураев А. С., Мамадуллаев Г. Х. Противотуберкулезная активность и фармакокинетика полимерных конъюгатов изониазида и этамбутола. Химико-фармацевтический журнал. 2021;6:67–71. DOI: 10.30906/0023-1134-2021-55-6-23-27.

14. Keshk S. M. A. S., Bondock S., El-Zahhar A. A., Haija M. A. Synthesis and characterization of novel Schiff’s bases derived from dialdehyde cellulose-6-phosphate. Cellulose. 2019;26:3703–3712. DOI: 10.1007/s10570-019-02360-w.

15. Zhang L., Yan P., Li Ya., He X., Dai Yu., Tan Z. Preparation and antibacterial activity of a cellulose-based Schiff base derived from dialdehyde cellulose and L-lysine. Industrial Crops & Products. 2020;145:112126. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112126.

16. Rawlinson L. B., Ryan S. M., Mantovani G., Syrett J. A., Haddleton D. M., Brayden D. J. Antibacterial Effects of Poly(2-(dimethylamino ethyl)methacrylate) against Selected Gram-Positive and Gram-Negative Bacteria. Biomacromolecules. 2010;11(2):443–453. DOI: 10.1021/bm901166y.

17. Туник Т. В., Немченко У. М., Ганенко Т. В., Юринова Г. В., Джиоев Ю. П., Сухов Б. Г., Злобин В. И., Трофимов Б. А. Синтез и спектральная охарактеризация новых биоразлагаемых производных арабиногалактана для диагностики и терапии. Известия российской академии наук. Серия физическая. 2019;83(3):408–414. DOI: 10.1134/s0367676519030268.

18. Хабриева Р. У., ред. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ. М.: ОАО «Издательство «Медицина»; 2005. 832 с.

19. Гланц С. Медико-биологическая статистика М.: Практика; 1999. 459 с.

20. Munoz-Bonilla A., López D., Fernández-García M. Providing Antibacterial Activity to Poly(2-Hydroxy Ethyl Methacrylate) by Copolymerization with a Methacrylic Thiazolium Derivative. International journal of molecular sciences. 2018;19(12):4120–4133. DOI: 10.3390/ijms19124120.

21. Timofeeva L. M., Kleshcheva N. A., Moroz A. F., Didenko L. V. Secondary and Tertiary Polydiallylammonium Salts: Novel Polymers with High Antimicrobial Activity. Biomacromolecules. 2009;10(11):2976–2986. DOI: 10.1021/bm900435v.

22. Sharma S. K., Chauhan G. S., Gupta R., Ahn H. Tuning anti-microbial activity of poly(4-vinyl 2-hydroxyethyl pyridinium) chloride by anion exchange reactions. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2009;21(2):717–724. DOI: 10.1007/s10856-009-3932-9.

23. Харитонова Е. В., Журавлев О. Е., Червинец В. М., Ворончихина Л. И., Демидова М. А. Синтез и антимикробная активность тетрахлорферратов четвертичного аммония, пиридиния и морфолиния. Химико-фармацевтический журнал. 2012;46(5):6–8. DOI: 10.30906/0023-1134-2012-46-5-6-8.