Амерханова Сюмбеля Камилевна

ОТЧЕТ по научным исследованиям за 2 курс, 2 семестр обучения

1. Выполнение индивидуального плана научных исследований (за соответствующий период)

2. Краткое описание полученных на текущий момент результатов

Рис.1. Структурные формулы исследованных соединений

Объектами исследования служили дикатионных алкилимидазолиевых ПАВ серии m-s-m (Im) с переменной длиной гидрофобной группы (m = 8, 10, 12, 14, 16) и спейсерного фрагмента (s = 2, 3, 4), а также их монокатионные аналоги (рис.1). Установлена связь структуры протестированных моно и дикатионных ПАВ с их антимикробной активностью. Показано, что длина гидрофобного радикала является основным структурным фактором, влияющим на эффективность исследуемых соединений, тогда как число метиленовых звеньев в гидрофобном фрагменте оказывает существенно меньшее влияние. Соединениями – лидерами явились децильные производные, которые обладают широким спектром антимикробной активности на уровне известных лекарственных препаратов, а на некоторых штаммах даже превосходят его. Несколько меньшей активностью характеризуются додецильные производные. Соединения m-s-m (Im), для которых m = 8 или 14 проявляют существенно меньшую активность, а их аналоги с гексадецильным радикалом совсем не обладали антибактериальной и противогрибковой активностью в отношении всего ряда тест-микроорганизмов. Следует отметить, что для дикатионных ПАВ с тетрадецильными радикалами наблюдалась зависимость антимикробной активности от длины спейсерного фрагмента, при увеличении длины которого до 3 и 4 метиленовых групп соединения утрачивали антимикробную активность.

В отличие от дикатионных ПАВ ни один из их монокатионных аналогов не характеризуются столь высокой активностью. Антимикробное действие соединений серии Im-n (рис.1) возрастает по мере увеличения их липофильности и в зависимости от тестируемого объекта достигает максимума для производных с тетра- или гексадецильными радикалами.

В ряду дикатионных ПАВ антимикробная активность достигает максимального значения для соединений с децильным и додецильным радикалом. Причем соединения с децильным радикалом проявили более высокую активность, чем с додецильными в отношении всех бактериальных штаммов включая метициллин-резистентные штаммы Staphylococcus aureus (MRSA) и дрожжеподобного гриба Candida albicans. В тоже время, уменьшение длины алкильного радикала до октильного и увеличение до тетро и гексодецильного привело к значительному снижению антимикробных свойств.

 В отличие от дикатионных ПАВ ни один из их монокатионных аналогов не характеризуются столь высокой активностью. Антимикробное действие соединений серии монокатионных имидазолиевых ПАВ возрастает по мере увеличения их липофильности и в зависимости от тестируемого объекта достигает максимума для производных с тетра- или гексадецильными радикалами. Монокатионные ПАВ с октильными, тетрадецильными и гексадецильными радикалами в отношении грибных патогенов оказались неактивны.

Механизм антимикробной активности веществ, показавших наилучший результат, определяли по изменению поглощения цитоплазматической мембраной красителя кристаллического фиолетового (CV), который плохо проникает в мембрану жизнеспособных клеток, но легко проходит при ее повреждении. Способность поглощать краситель из среды - важный маркер состояния цитоплазматической мембраны. Клеточная стенка и цитоплазматическая мембрана бактерий являются мишенью для многих антимикробных агентов, в том числе и для ПАВ. Для катионных ПАВ мишенями на поверхности бактериальной клетки являются карбоксильные группы аминокислот и кислых полисахаридов бактерий. Известно, что химические вещества могут влиять на микроорганизмы специфически и неспецифически. Специфический механизм проявляется при очень низких концентрациях антимикробного соединения, которое может реагировать с определенными компонентами клетки, нарушая их нормальное функционирование. Неспецифическое действие на клетку обычно проявляется при достаточно высоких концентрациях веществ. Оно может быть связано с неблагоприятным для микроорганизма изменением поверхностного натяжения, рН, с установлением высокого осмотического давления и т.д.

 Исследования проводились в диапазоне концентраций, который включал минимальные ингибирующие (МИК) и минимальные бактерицидные (МБК) концентрации соединений 8-3-8 (Im), 10-3-10 (Im), 12-3-12 (Im) и 14-3-14 (Im). Соединение 8-3-8 (Im) обладает очень слабым мембранотропным действием. Даже в самой высокой концентрации (300 мкМ), превосходящей его МБК (55.6 мкМ) величина поглощения CV составляет всего 16%. Обработка клеток S. aureus соединениями-лидерами (10-3-10 (Im) и 12-3-12 (Im)) в диапазоне их МИК и МБК (0.8-11 мкМ) практически не приводит к нарушению мембранной проницаемости. Поглощение СV не превышает 5%. Увеличение липофильности радикала в молекуле геминальных ПАВ до тетрадецильного привело к усилению мембранотропных свойств. Было показано, что соединение 14-3-14 (Im) диапазоне МБК (150-300 мкМ) оказывало значительное воздействие на проницаемость мембраны S. aureus, увеличивая поглощение CV до 63-76%.

Полученные результаты позволяют предположить, что антимикробное действие соединений с октильным, децильным и додецильным радикалом связано  прежде всего с их специфическим  влиянием на микроорганизмы.  Концентрации, соответствующие МИК и МБК этих соединений существенно ниже тех, которые соответствуют нарушению целостности цитоплазматической мембран, что позволяет предположить, что ПАВ  взаимодействуют с определенными компонентами клетки, препятствуя их нормальному функционированию. Причем присутствие в молекуле ПАВ именно децильного радикала приводит к самым выдающимся результатам, а именно соединения действуют бактерицидно в очень малых концентрациях против чувствительных и резистентных штаммов S. aureus. При увеличении длины липофильного радикала до тетрадецильного в бактерицидной концентрации исследуемые геминальные ПАВ вероятно утрачивают способность к специфическому связыванию с поверхностью бактериальной клетки.

Дикатионные ПАВ проявили умеренную гемолитическую и цитотоксическую активность. Гемолитические и цитотоксические свойства несколько возрастают у геминальных ПАВ серии 12-m-12 (Im). Однако все протестированные соединения обладают более низкой токсичностью в отношении эритроцитов и гепатоцитов человека по сравнению с классическим катионным ПАВ (CTAB).

В отличие от геминальных ПАВ монокатионные аналоги показывают высокую цитотоксическую токсичность в отношении клеточной линии гепатоцитов человека Chang liver, за исключением Im-10. Гемолитическое и цитотоксическое действие соединений серии монокатионных имидазолиевых ПАВ возрастает по мере роста углеродной цепи и максимум достигается для гекса- или октодецильных соединений.

Дикатионные ПАВ с децильным радикалом обладают наиболее высокими значениями SI, что доказывает их безопасность в отношении гепатоцитов и эритроцитов человека.

Таким образом, в данной работе были исследованы антимикробные и цитотоксические свойства дикатионных алкилимидазолиевых ПАВ серии m-s-m (Im) с переменной длиной гидрофобной группы (m = 8, 10, 12, 14, 16) и спейсерного фрагмента (s = 2, 3, 4), а также их монокатионных аналогов. Подробно охарактеризована связь между биологической активностью и структурными особенностями этих соединений. Для соединений –лидеров серии дикатионных имидазолиевых ПАВ изучен механизм мембранотропного действия.

Полученные результаты позволяют рассматривать протестированные соединения в качестве основы для направленного дизайна биоактивных поверхностно-активных соединений, используемых в разработке новых потенциальных антимикробных агентов.

3. Публикации по теме научно-квалификационной работы (за все время обучения, включая тезисы докладов):

4. Апробация результатов научно-квалификационной работы (за все время обучения):

5. Иные достижения аспиранта:

(участие в конкурсах, грантах, полученные премии, дипломы, именные стипендии и т.п. (указать, где получено и за что), стажировки)

Работа выполняется при финансовой поддержке гранта РНФ № 19-73-30012

Подпись аспиранта

Подпись научного руководителя