Введение к работе
Актуальность работы. Фотодинамический эффект, открытый Раабом еще в 1897 году, в последние десятилетия вновь привлек внимание исследователей в первую очередь благодаря тому, что он нашел применение в медицине для фотодинамической терапии (ФДТ) злокачественных новообразований и стерилизации крови. В настоящее время активно внедряется в практику новый метод антимикробной фотодинамической терапии, актуальность которого возросла в связи с появлением штаммов патогенных микроорганизмов, резистентных к антибиотикам. Одним из перспективных применений фотодинамического эффекта представлялось фотодинамическое обеззараживание воды. В настоящее время для уничтожения бактерий и вирусов в воде в основном используют хлорирование. В качестве альтернативы хлорированию предлагаются различные способы обеззараживания воды, из которых наиболее широкое применение нашли озонирование и УФ - обеззараживание. Однако все они имеют те или иные недостатки, и разработка новых методов обеззараживания воды остается актуальной.
В основе фотодинамического эффекта лежит фотоиндуцированное красителем -сенсибилизатором образование активных форм кислорода (АФК) - синглетного кислорода ( Ог) и кислородцентрированных радикалов, которые окисляют жизненноважные биомолекулы, инактивируя таким образом микроорганизмы. Известно, что в водной среде микроорганизмы наиболее эффективно инактивируются положительно заряженными сенсибилизаторами - содержащими в своей структуре кватернизованные аминогруппы производными акридина, фенотиазина, порфирина, фталоцианина. Полагают, что положительный заряд усиливает взаимодействие сенсибилизатора с отрицательно заряженной в водной среде поверхностью микроорганизмов. Поиск эффективных катионных сенсибилизаторов образования синглетного кислорода для водной среды и изучение фотохимических процессов, протекающих в их растворах, является актуальным и представляет не только теоретический, но и практический интерес для разработки новых препаратов для фотодинамической инактивации микроорганизмов.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является установление влияния структуры производных фталоцианина и акридина на их физико-химические свойства и эффективность сенсибилизированной ими фотоинактивации микроорганизмов в водных средах.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
выявление влияния структуры красителей на их состояние в растворе;
установление влияния структурных факторов и среды на квантовый выход флуоресценции (Фр) и генерации *Ог (Фд);
выявление закономерностей фотодеструкции красителей в водной среде;
предварительная оценка эффективности сенсибилизаторов фталоцианинового и акридинового ряда в фотоинактивации бактерий в воде и установление её связи с некоторыми структурными факторами;
выявление наиболее перспективных сенсибилизаторов и рекомендации по их практическому применению.
Научная новизна.
В работе как фотосенсибилизаторы образования синглетного кислорода были исследованы новые, впервые синтезированные в ФГУП«ГНЦ«НИОПИК» катионные фталоцианины цинка, алюминия, титанила и коньюгаты фталоцианина цинка с родаминами 6G и В. Изучение их физико-химических и сенсибилизирующих свойств показало, что влияние структурных факторов на Ф? и Фд фталоцианинов в водной среде опосредовано зависимостью от структуры склонности фталоцианинов к образованию фотохимически неактивных ассоциатов и агрегатов. Полученные данные о влиянии среды, природы и количества заместителей показали наличие различных специфических межмолекулярных взаимодействий, таких, как электростатическое взаимодействие, образование ионных пар, водородных связей, влияющих на активность фотосенсибилизатора. Установлено, что катионные фталоцианины титанила, в отличие от фталоцианинов цинка и алюминия под действием света в водных растворах генерируют не только синглетный кислород, но и гидроксильные радикалы.
Исследованы некоторые новые аспекты фотодеструкции катионных фталоцианинов в водной среде. Показано, что закономерности их фотодеградации в водных растворах не соответствуют самосенсибилизированному окислению синглетным кислородом, наиболее вероятный механизм фотодеструкции - радикальный механизм типа I. Высказано предположение о том, что фотообесцвечивание фталоцианинов титанила в воде происходит вследствие расщепления фталоцианинового макроцикла гидроксильными радикалами, генерируемыми при возбуждении фталоцианина титанила видимым светом.
У конъюгатов фталоцианина цинка с родаминами 6G и В выявлено наличие внутримолекулярного переноса энергии возбуждения с родаминовой части молекулы (донор) на фталоцианиновую (акцептор). Квантовые выходы флуоресценции, фотодеградации, генерации синглетного кислорода для коньюгатов в 2-3 раза ниже соответствующих значений для свободных красителей, что позволяет предполагать также наличие фотоиндуцированного переноса электрона между фрагментами коньюгата.
Впервые изучены закономерности фотодеструкции акридиновых красителей в водных средах, установлены некоторые продукты фотолиза. Фотопревращение акридиновых красителей при облучении в разбавленных водных растворах в присутствии кислорода происходит через образование первичных фотопродуктов пероксидной природы. На примере профлавина показано, что с увеличением концентрации субстрата квантовый выход фотоокисления возрастает, при этом изменяется состав продуктов фотолиза. Это свидетельствует об изменении Кр*-0 на Кр*-Кр механизм фотодеструкции. Фотоокисление профлавина в форме основания происходит на порядок быстрее фотоокисления профлавина в форме монокатиона.
Получены данные о фотобактерицидном действии новых катионных фталоцианинов в природной воде в отношении общих колиформных бактерий. Установлены наиболее активные из исследованных соединений - пиридиниометил- и холинил-замещенные фталоцианины цинка с количеством заместителей в макроцикле
n = 7^-8. Подтверждено высокое фотобактерицидное действие акридиновых красителей (профлавин, акридиновый желтый, акридиновый оранжевый), из которых по совокупности физико-химических и токсикологических свойств для фотодинамического обеззараживания воды открытых водоёмов и в установках локального водоснабжения рекомендован профлавин ацетат.
Практическая значимость работы.
Результаты исследований фотохимических и фотосенсибилизирующих свойств катионных фталоцианинов были использованы при разработке нового эффективного антимикробного препарата «Холосенс» [поли(холинил)фталоцианин цинка], который имеет отличные перспективы для широкого использования в медицине - от ФДТ онкологических заболеваний до лечения гнойных и ожоговых ран. В настоящее время препарат «Холосенс» проходит расширенные лабораторные и клинические испытания.
Полученные в работе данные о фотохимических свойствах профлавина ацетата, продуктах его фотодеструкции и эффективности фотодинамического воздействия были использованы при разработке новых технологий обеззараживания воды в установках для локального хозяйственно - питьевого водоснабжения и воды поверхностных водоёмов.
По результатам работы получено 3 патента РФ. Основные положения, выносимые на защиту:
Фотоактивность катионных фталоцианинов цинка, алюминия и титанила зависит от природы центрального атома металла. Природа и количество положительно заряженных заместителей на периферии макрокольца определяют образование фотохимически неактивных агрегатов.
Катионные фталоцианины титанила в водной среде при возбуждении генерируют как синглетный кислород, так и гидроксильные радикалы.
3. Закономерности фотодеградации катионных фталоцианинов в водных средах не
соответствуют самосенсибилизированному окислению синглетным кислородом, наиболее
вероятный механизм фотодеструкции - радикальный механизм типа I.
У конъюгатов фталоцианина цинка с родаминами 6G и В происходит внутримолекулярный перенос энергии возбуждения с родаминовой части молекулы (донор) на фталоцианиновую (акцептор). Квантовые выходы флуоресценции, фотодеградации, генерации синглетного кислорода у коньюгата примерно в два раза ниже таковых для свободного фталоцианина цинка, что указывает на появление в коньюгате конкурирующего процесса, вероятнее всего фотоинициированного переноса заряда между фталоцианиновым и родаминовым фрагментами.
Фотоокисление акридиновых красителей в водных растворах при низких концентрациях приводит к образованию эндопероксидов. С увеличением концентрации аминоакридинов квантовый выход их фотоокисления возрастает и в продуктах фотолиза появляются олигомеры.
6. Фотобактерицидная активность катионных фталоцианинов цинка и алюминия в воде
обусловлена эффективностью генерации синглетного кислорода.
Апробация работы. Работа выполнена в соответствии с программой Правительства Москвы и контрактом с Департаментом науки и промышленной политики г. Москвы «Каталитическая и фотокаталитическая очистка воды в системах водоснабжения и водопользования» и поддержана грантом РФФИ №07-03-00191 «Особенности катализа и фотокатализа фталоцианинами, несущими заряженные заместители, в реакциях окисления органических субстратов кислородом и пероксидами».
Основные результаты работы были представлены на международных и российских конференциях: «XXII International Conference on Photochemistry» (Cairns, Australia 2005), «IV съезд фотобиологов России» (Саратов, 2005), «IV Conference on Sustainable development of energy, water and environment systems» (Dubrovnik, Croatia, 2007), «XXII International Conference on Photochemistry» (Cologne, Germany, 2007), «Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (Moscow 2008)» «XXII IUPAC Symposium on Photochemistry» (Geteborg, Sweden, 2008), «5th European Conference on Solar Chemistry and Photocatalysis: Environmental Applications» (Italy, Palermo, 2008), «7-th International Symposium on Photodynamic Therapy and Photodiagnosis in Clinical Practice» ( Italy, Brixen, 2008), «XXIV International Conference on Photochemistry» (Spain, Toledo, 2009) и Международной конференции «Органическая нанофотоника» (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, из них: две в рекомендованном ВАК научном российском журнале («Журнал физической химии»), 6 в рецензируемых международных журналах и 10 в сборниках тезисов докладов научных конференций, получены 3 патента РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Работа содержит 13 таблиц, 52 рисунка и 130 библиографических ссылок.
