биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Повесть о наночастицах

[9 сентября, 2016 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Оказывается, Природа отнеслась к потомству свиньи весьма пренебрежительно и незаслуженно обделила его жизненно важным микроэлементом, железом, — со всеми печальными последствиями в виде симптомов железодефицитной анемии... Именно ради оздоровления и спасения домашних поросят когда-то началась эта история — история создания отечественных противоанемических ветпрепаратов. В «Повести» переплетаются реальные обстоятельства их разработки и ход научной мысли исследователей, выясняющих химическое строение железо-декстрановых и железо-декстриновых препаратов и пытающихся их целенаправленно модифицировать.
Выявление коллоидной — а не координационной — природы подобных препаратов (устойчивые водные суспензии гематитовых наночастиц, стабилизированных поверхностной иммобилизацией окисленных олигосахаридов) позволило оптимизировать технологии их производства и ввести другие микроэлементы в «ядра» наночастиц. Железо, медь, цинк, кобальт, селен и йод, ковалентно связанные в кристаллической решетке «ядра» наночастицы, могут усваиваться организмом одновременно — в отличие от ионных форм перечисленных биоэлементов, энергично конкурирующих между собой за каналы транспорта и охотно участвующих в нежелательных процессах химического взаимодействия с иными компонентами пищи. А может, ионизированные формы микроэлементов вообще стоит исключить из рациона высших животных и человека?

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.



Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано

Спонсор номинации — Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано.


Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!


Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».


Спонсоры публикации этой статьи — Данила и Ирина Барские.


И взявши лягушку, исследовал. И по исследовании нашел: точно!
Душа у лягушки имеется, однако же малая видом и не бессмертная.
М.Е. Салтыков-Щедрин. История одного города


Как все начиналось. Andante, doloroso

Сейчас, через пятнадцать лет, кажется удивительным, что вся эта весьма обширная и многообещающая «микроэлементная нанотематика» родилась совершенно случайно — я бы даже сказал, помимо желания авторов и вопреки ему.

Первичную идею о «желательности» изобретения противоанемического поросячьего препарата принес на хвосте наш бывший техник-приборист Витя Титко — личность симпатичная и безобидная, на редкость невезучая и, главное, решительно ничего не смыслящая в химии и химической технологии. И всё же техническая сторона принесенной им задачи была сформулирована неожиданно внятно и здраво.

Суть дела состояла вот в чём: молочный поросенок с молоком матери-свиньи ежедневно усваивает не более 3 мг железа [1, 2], а для его организма желательно получать хотя бы 7–8 мг, и оттого приходится его, поросенка, колоть этим железом — он же не ест ничего, кроме молока, как ему скормишь толику какого-нибудь железного купороса?

Кто, говоришь, делает уколы полосатым поросятам дикого кабана в лесу? Никто не делает, они поэтому почти все благополучно помирают, из помета в 15–20 штук выживает один — и слава богу, а то дикие кабаны переполнили бы свою экологическую нишу и у нас на огородах всю картошку бы перекопали, а кому это нужно? Но домашняя свинья — это вам не дикая, тут каждый поросенок представляет большую ценность, а в условиях недостатка железа поросята растут плохо, постоянно болеют и позорят своих хозяев перед авторитетными комиссиями. И свинячина из них получается некондиционная.

В общем, иметь инъекционный, парентеральный, препарат для лечения железодефицитной анемии поросят надо. А такого препарата у нас в стране нет. И никогда не было. Ах, говоришь, человеческий препарат взять, удешевить и использовать для свиней? Ишь ты, умный какой нашелся — и человеческого препарата у нас в стране тоже нет, одни импортные! А уж какие дорогущие... Ну да, развал полный и безнадежный.

В этот момент у автора данного текста (далее — Автора) родилось ужасное подозрение: «Витя, да ты никак у себя на балконе шестого этажа свинью с поросятами завел? Зачем тебе противоанемический свинячий препарат? А если нет свиньи — тогда уж, чтобы быть последовательным, надо производить аналогичные целительные действия и в отношении бегемотов, жирафов, тасманских дьяволов и африканских слепышей — голых землекопов...»

Это я попытался так пошутить. Но действительность оказалась гораздо фантастичнее подобного предположения!

В общем, так: мой заказчик Витя, в многолетней погоне за длинным рублем переменив множество профессий, наконец-то осел аппаратчиком фасовочной машины в некоей крохотной фирмочке под названием «Аскольд», расположенной в провалившемся одноэтажном бараке «временного лабораторного городка» — полностью разоренного и заброшенного к тому времени предшественника Института биотехнологии*.

* — Здесь надо упомянуть, что данное сочинение, в сущности, является слегка беллетризированным отчетом о собственноручно проделанной экспериментальной работе; автор, вдохновленный высоким слогом великого Эразма, несколько виртуализировал академическую структуру двух научных центров — Пущинского и Оболенского. Так, Институтом биотехнологии жители научных городков иногда для краткости именуют славный ГНЦ прикладной микробиологии и биотехнологии (Оболенск). Ниже упомянут будет и Институт микробиологии, то есть не менее славный Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина (Пущино).

Упомянутое малое предприятие, в полном соответствии с веяниями времени, приобретало в Китае или Индии субстанции для изготовления ветеринарных препаратов (в бочках и ящиках, по 50 долларов за килограмм действующего вещества), фасовало их в пакетики, таблетки или бутылочки. После такой несложной манипуляции рыночная цена означенных субстанций без всякого волшебства возрастала раз в пятьсот.

Ну что ж — доброе дело, хорошее дело! Если учесть, что производительность, скажем, таблеточной машины может при необходимости достигать нескольких миллионов таблеток в сутки, а стόит она 10–15 тысяч долларов и легко обслуживается одной бабкой-пенсионеркой, то деятельность такого рода можно и вправду счесть апофеозом предпринимательской инициативы. Более того, руководство этого богоспасаемого заведения не остановилось на достигнутом и решило посягнуть на ослепительно сияющие вершины химического синтеза — создать и произвести собственный противоанемический ветеринарный препарат! И, хотя тезис о безумстве храбрых, как известно, никоим образом не подразумевает внимания к таким срамным и низменным вопросам, как персоналии индивидуальных исполнителей, изобретателей и разработчиков, необходимый уровень профессионального образования и наличие практического опыта, руководство позаботилось даже об этом!

Как уже, по-видимому, догадался читатель, честь первооткрывателя и разработчика была настоятельно предложена руководством нашему знакомому Вите. Да и то сказать: на фоне работающих в этой богадельне бабулек наш аппаратчик Виктор Константинович с его техникумовским образованием КИПовца смотрелся горным орлом: разбирался в радиосхемах, знал, за какой конец держать паяльник, понимал принцип действия червячной передачи — куда же больше! А для подавления попыток бунта на корабле ему было сказано: вот когда разработаешь препарат и запустишь его в производство, тогда и зарплату получишь — с прибыли, — а пока, извини, можешь надеяться только на оплату реактивов и материалов.

О, сколь извилисты пути идей и изобретений! Конечно, Витя эту блестящую подачу сразу же переадресовал мне — и так данная проблема впервые попала в поле нашего зрения.

А уж как не хотелось ей заниматься, даже и описать невозможно! Интересоваться проблемами такого отвратительного животного, как свинья, соваться в чуждую и неприятную область патентного поиска, делать совершенно новую (и непременно рентабельную) технологию синтеза неинтересного мне лекарственного препарата — да на кой черт оно нужно! И еще: сделать технологию, наверное, можно, но дальше-то всё равно тупик! Да никогда в жизни руководство «Аскольда», состоящее из отставного вертолетчика и разжалованного профессионального администратора, не потянет организацию настоящего производственного процесса: там уже нужны и грамотные люди, и оборудование, и аналитический контроль, и минимальный профессиональный опыт. Всё это быстро кончится, как в свое время писали святители, очередным «еллинским беснованием»*.

* — «Уже же мнози от неразумия простая чадь во градех и в селех творят еллинское беснование, различныя игры и плясания» («Стоглав», 1551).

Забегая вперед, замечу, что именно так оно и случилось: энергии упомянутой организации хватило — уже по получении готовой технологии — на два эксперимента в больших колбах, после чего идея производства отечественного противоанемического препарата была ею полностью и окончательно похоронена «в связи с необходимостью чрезмерных и неоправданных усилий для ее реализации». Но это было потом...

Тогда же Автор в ответ на такой наглый нахрап Заказчика уперся и попробовал сопротивляться, но ему вполне внятно указали на следующие обстоятельства:

  • в свое время, когда Автору было очень нужно, Заказчик модифицировал ему линию подачи водорода в газовом хроматографе «Хром-5»: это позволило доказать нелинейный характер зависимости «доза — площадь пика» для одноэлектродного пламенного детектора при повышенных сверх оптимума расходах водорода;
  • общеизвестно, что Автору за его крепость и твердость в Сладкой Языческой Вере дана способность постигать строение химических веществ и механизмы химических процессов не только жалкими соображениями разума, но и светлым проникновением духа! И поэтому решение мелкой проблемы отечественного противоанемического препарата для него не должно быть сложным.

Что можно было возразить? Ведь всё это действительно было так!

Оставалось только попытаться быстренько-быстренько найти пресловутое решение проблемы и с облегчением отделаться от этого задания.

Изложенная выше история кажется совершенно нелепой и фантастической. И всё-таки без этого вступления, пожалуй, нельзя было обойтись — ибо таким был источник, более священный, нежели числа Пифагоровы.

С аналогами и вправду было неважно: ну не было у нас своих препаратов такого рода — ни медицинских, ни ветеринарных, — хотя в Европе их производили чуть ли не в каждой стране. Даже в Болгарии был свой препарат — а у нас не было! В общем, надо было начинать с нуля. Ну, если вправду надо, то и начнем. Debes, ergo potes: должен — следовательно, можешь. Химия и технология комплексных соединений трехвалентного железа — подумаешь, бином Ньютона! Вот сколь самонадеянным был тогда Автор!

Надо сказать, что в качестве основы парентеральных препаратов привычные для нас соединения железа (вроде солей или простейших комплексов) абсолютно не годятся. Железо, как мы с удивлением выяснили, является довольно-таки токсичным металлом: LD50 для мышей составляет 20–40 мг/кг в зависимости от аниона и валентности металла [3–5]. Оказалось, что в мире регистрируется множество отравлений (бывает, даже смертельных, у детей в основном) соединениями железа. К примеру, при ненормированном приеме витаминно-микроэлементных таблеток [4, 6]. Так что даже в пищу соли железа надо употреблять с большим бережением, а уж про их использование в парентеральных препаратах и речи быть не должно. Как же мировая цивилизация решала этот вопрос?

Нет, поначалу всё-таки применяли, с большой осторожностью, растворы простейших соединений железа (II) — да мало ли всякой отравы тогда в медицине использовали! — но в 40-х годах ХХ века обнаружилось, что комплексы железа с простейшими сахарами существенно менее ядовиты [7], и короткое время анемиков пользовали именно такими производными. Но вот в начале 50-х годов изобрели так называемые железо-декстрановые комплексы [8, 9]: в почти неизменном виде соединения этого класса и сейчас применяют в качестве противоанемических парентеральных препаратов как в медицине, так и в ветеринарии.

Тут надо сказать пару слов о декстране и декстрине, поскольку далее они будут упоминаться очень часто и в разных контекстах.

Слово о декстране и декстрине. Intermezzo. Legiero

Декстран принципиальным образом отличается от декстрина. Последний является, в сущности, фрагментом молекулы крахмала, а крахмал — это биологический полимер обычной глюкозы с (1→4)-типом гликозидной связи: это означает, что аномерный атом углерода первого глюкозного цикла соединен через кислород с четвертым углеродным атомом следующего глюкозного цикла (совершенно тривиальный тип связи в растительных и животных полисахаридах). Так вот, если расщепить макромолекулу крахмала кислотой или ферментом — какой-нибудь (1→4)-глюканазой, — то можно получить фрагменты этой молекулы с молекулярным весом 1–10 кДа (т.е. содержащие 5–50 остатков глюкозы). Подобные сравнительно короткие олигомеры глюкозы, образовавшиеся в ходе частичного гидролиза крахмала, называются декстринами, а концентрированный водный раствор декстринов — патокой.

А вот декстран — это (1→6)-глюкан, то есть весьма экзотический полимер глюкозы с (1→6)-типом связи фрагментов глюкозы. Для образования (1→6)-связи в декстране используется шестой углерод, который в декстриновой молекуле неприкаянно и бесполезно болтается в виде группы —СН2ОН вне пиранозного кольца, по соседству с эндоциклическим кислородом.

Гигантские декстрановые цепи с молекулярным весом 2–10 МДа продуцируются несколькими видами микроорганизмов — лейконостоков, своеобразных стрептококковых бактерий (недавно, впрочем, низведенных в стрептококкоподобные). Для растений же и животных полисахариды с указанным типом связи, (1→6), абсолютно нетипичны. Настолько нетипичны, что в наших организмах нет даже ферментов, способных расщеплять подобные молекулы, и оттого декстраны могут циркулировать в кровотоке довольно долго, не подвергаясь сколько-нибудь заметной биологической деградации (период полувыведения составляет 6–8 часов, полимер выводится почками в неизмененном виде [10, 11]). Именно этим свойством обусловлено исключительно широкое использование продуктов частичного кислотного гидролиза декстранов (с м.в. 40–60 кДа) в качестве основы кровезаменителей — с их исключительной химической инертностью, волемическим, детоксикационным, диуретическим, антитромботическим действием [10, 11]. Молекула декстрана не вполне линейна: ее основная цепь несет некоторое количество коротеньких, в 1–2 глюкозидных остатка, боковых ответвлений; но форма молекулы в этом случае, видимо, несущественна, поскольку и на основе произвольно разветвленных коротких крахмалов тоже можно создать отличные плазмозаменители.

Декстрин или крахмал как таковые использовать для этого никак не получится, их наши кровяные глюканазы в считанные минуты расстригут до мономера — глюкозы, — а вот если предварительно гидроксиэтилировать группы -ОН полисахаридов действием окиси этилена, то получаемые ГЭКи (2-гидроксиэтилированные крахмалы) уже оказываются абсолютно неуязвимыми для глюканаз и могут безупречно выполнять спасительные функции [11].

В процессе получения кровезаменителей (частичным кислотным гидролизом высокомолекулярного декстрана с извлечением узкой целевой фракции с м.в. 40–60 кДа) образуется и значительная фракция низкомолекулярных декстранов с м.в. 1–10 кДа, непригодная для использования по прямому назначению, но зато вполне подходящая для фармакологических целей — в частности, для синтеза железо-декстрановых комплексов.

Разобравшись с декстранами, перейдем наконец к устройству «железо-декстрановых комплексов», как их именуют и производители, и патентообладатели, и многочисленные пользователи. Считается (подчеркиваю: именно считается), что этот препарат представляет собой комплекс гидроокиси трехвалентного железа Fe(OH)3 с декстраном [C6H10O5]n, где n-степень полимеризации, равная 5–50 [6, 12, 13]. А почему так считается? Ну, потому что для получения железо-декстрана надо осадить гидроокись железа из ее раствора с декстраном, а потом всю эту смесь нагреть в щелочной среде. Уравнения реакций посему должны выглядеть так:

FeCl3 + NaOH → ↓ Fe(OH)3 + NaCl
или
FeCl3 + Na2CO3 + Н2О → ↓ Fe(OH)3+ NaCl + ↑CO2 (I)
m Fe(OH)3 + [C6H10O5]n → {[Fe(OH)3]m[C6H10O5]n} (II)

Некоторые ценители естественных наук, желая продемонстрировать глубину своих химических познаний, изображают формулу осажденной гидроокиси как Fe(OH)k(Cl)3-k вместо тривиального Fe(OH)3, подчеркивая тем самым, что не все атомы хлора в хлорном железе обмениваются на гидроксилы при его нейтрализации щелочью или содой, что некоторая, незначительная, часть связей «железо-хлор» сохраняется в осажденной гидроокиси, и формула железо-декстранового комплекса должна выглядеть следующим образом:

{[Fe(OH)k(Cl)3-k]m[C6H10O5]n}

Это действительно так, остаточный галоген всегда присутствует в осадках таких гидроокисей [14–16]. И мы запомним данную деталь — она позже поможет разобраться с механизмом образования железо-декстранов. А вот сама приведенная формула вызывает внутреннее отторжение своей невыразительностью: она декларирует разве что наличие определенных химических элементов в препарате (даже не посягая на стехиометрию, поскольку величины k, m, n неизвестны) и ровным счетом ничего не говорит о природе связей в этой молекуле. Как устроены железо-декстраны, какие функциональные группы сахара координирует ион железа, сколько атомов железа должно приходиться в идеале на молекулу декстрана, как объяснить совершенно поразительные физико-химические и реологические свойства препарата? Ничего-то эта формула не объясняет и не предсказывает, и это кажется удивительным: почти 70 лет широчайшего медицинского применения препаратов — и ни малейшего представления об их реальном строении.

Физико-химические, химические и реологические свойства этих соединений действительно необычны: очень трудно объяснить и поразительно низкую (для высокомолекулярных соединений) вязкость растворов, и исключительную термическую и химическую стойкость веществ — разрушить железо-декстраны можно разве что кипячением с минеральной кислотой. А еще удивляет их относительная нетоксичность при парентеральном приеме: производители дипломатично указывают, что в этом случае LD50 в пересчете на чистое железо «превышает 1500 мг/кг» (Европейская фармакопея предписывает этой величине быть больше 1000 мг/кг). В переводе с бюрократического языка это означает, что признаков токсичности наблюдать не удается ни при каких условиях: просто физически невозможно влить мышам внутривенно объем препарата, отвечающий такой дозе. При пероральном же приеме эта величина «превышает 2000 мг/кг» [17]. А ведь минеральные соединения железа очень токсичны!

Производители — видимо, руководствуясь недвусмысленным евангельским указанием «Погублю мудрость мудрецов и разум разумных отвергну»*, — никогда не мудрствовали «о неположенном» и довольствовались в основном смакованием действительно выдающихся медико-биологических качеств препаратов. Совершенно справедливо полагая, что для свиньи важнее выздороветь, нежели написать диссертацию о тонких деталях координационного окружения иона Fe3+ в железо(III)-декстрановом комплексе!

* — «Погублю мудрость мудрецов и разум разумных отвергну. Потому что немудрое Божие мудрее премудрого человеков» (1 Кор. 1:19, 125).

В самом деле, чего же еще желать: килограммовому поросенку можно без малейшего опасения ввести однократно 200–300 мг железа в виде железо-декстранового комплекса (и этого вполне достаточно на весь период его млекопитания) — а ведь таким количеством железа, скажем, в виде его сульфата или хлорида можно гарантированно убить десяток поросят. Оттого-то считалось приличным соединения такого рода принимать за «многоядерные комплексы гидроокиси железа с декстраном», аккуратно избегая рассуждений об очевидном несоответствии свойств обсуждаемых объектов такого рода структуре.

Но тогда подобные соображения не смущали Автора: ведь предполагалось оперативно воспроизвести какую-нибудь из уже существующих методик синтеза препарата и навсегда забыть эту проблему, как страшный сон.

Комплексы или коллоиды? Agitato, Animando

Сам по себе синтез железо-декстрана из осажденной гидроокиси железа и декстрана можно выполнить быстро, за полчаса, но вот осаждать Fe(OH)3 из раствора хлорного железа (добавлением раствора соды при интенсивном перемешивании) приходилось очень медленно, 5–6 часов, — иначе гидроокись оказывалась никуда не годной и лишь частично растворялась при нагревании с декстраном. Вот это уже было совсем тоскливо: кавалерийской атакой решить препаративную часть задачи не получилось, экспериментов предвиделось много, и тратить на каждый из них по целому дню было очень жалко.

И тогда Автор решил прибегнуть к азиатской хитрости: а отчего бы в целях экономии времени не заготовить впрок большое количество полуфабриката гидроокиси железа (III)? Нет, не сухого порошка, конечно, а частично нейтрализованного содой — почти до точки осаждения гидроокиси. И без декстрана, что тоже понятно: раствор-то очень кислый, декстран при стоянии в таком растворе гидролизуется. Из такого запаса можно будет по мере необходимости брать некоторую часть, добавлять декстран, быстренько (за полчаса) дотитровывать содой до осаждения гидроокиси и проверять ту или иную блестящую идею по части совершенствования технологии.

Продукт таким образом и вправду удавалось получать в течение нескольких недель, хоть он оказывался и не очень качественным. Но тут важно иное. Автор внезапно осознал, что этого просто не может быть: координационное соединение ионов железа с декстраном таким образом вообще не может быть синтезировано!

О химических основах процесса старения осадка гидроокиси трехвалентного железа. Intermezzo. Legiero

Свободный ион Fe3+ (как, кстати, и ион Al3+) в каком-то смысле (и лишь частично!) «существует» только к сильнокислых растворах — вернее, существует смесь малых количеств аквакомплексов [Fe(H2O)6]3+ c недиссоциированными молекулами хлорного железа и его анионными комплексами [FeCl4]. При нейтрализации же сначала получаются молекулярные частички Fe(OH)k(Cl)3-k — продукты частичного гидролиза молекулы хлорного железа: чем ближе к точке эквивалентности, тем сильнее величина k приближается к 3, но никогда, ни при каких обстоятельствах не достигает ее в точности — даже при кипячении со щелочью!

Так вот, эти зародыши будущей гидроокиси железа сразу же объединяются в нанометровые коллоидные частицы — вплоть до изоэлектрической точки гидроокиси железа (рН=3,0–3,5), когда они выпадают в виде массивного осадка. Как только наночастица [Fe(OH)k(Cl)3-k]m сформировалась, внутри мгновенно начинается реакция полимеризации, точнее, поликонденсации: два соседних атома железа теряют свои гидроксильные группы, при этом выделяется молекула воды и образуется кислородный мостик между атомами металла [15, 16]:

>Fe(OH) + >Fe(OH) → >Fe-O-Fe< + H2O (III)

Стремительная объемная поликонденсация чрезвычайно быстро (в течение считанных минут или часов) превращает всю коллоидную частицу в гигантскую молекулу, в которой каждый из атомов железа соединен с тремя другими посредством кислородных мостиков — за исключением, конечно, небольшой части поверхностных атомов железа, которым банально «не хватило соседей», и оттого у них кое-где остались изолированные фрагменты >Fe-OH. Но и только! Вся остальная масса изначально мономерных частиц Fe(OH)k(Cl)3-k исчезла, превратившись в огромную трехмерную структуру, довольно устойчивую в химическом отношении.

И в самом деле, любой химик знает о принципиальной химической несхожести «свежеосажденной» и «постаревшей» гидроокисей железа (а также гидроокисей алюминия, хрома, титана и даже кремния). Осадок, полученный непосредственно перед испытанием, ведет себя как типичная гидроокись активного металла — в частности, заметно растворяется в воде, легко образует коллоидные растворы и переходит в истинный раствор при простом подкислении среды. Но термодинамически все перечисленные гидроокиси очень неустойчивы и быстро теряют воду за счет процесса спонтанной поликонденсации: гидроокись железа (III), например, самопроизвольно переходит в соединение, близкое к α-гематиту (Fe2O3) по составу и параметрам кристаллической решетки. А такое соединение уже обладает свойствами полимерных окисей, в раствор может быть переведено только кипячением с сильными минеральными кислотами и совсем не дает химических реакций, типичных для ионов Fe3+, — полимер, что тут скажешь!

Резюмируем: гидроокись железа (III) — в осадке или в виде частицы золя, не имеет значения, — уже после кратковременной выдержки при комнатной температуре должна была полимеризоваться и утратить способность вступать в реакции образования координационных соединений (уравнение II). А она этой способности почему-то не утрачивает — если, конечно, считать железо-декстраны координационными соединениями!

Возвращаемся к вопросу о получении железо-декстранов из длительно стоявших коллоидов гидроокиси железа и понимаем: позвольте, ведь там давно исчезли мономерные молекулярные структуры с единственным ионом железа и несколькими гидроксилами, они давно превратились в трехмерные полимерные макромолекулы (Fe2O3)m! А мы всё рассматриваем железо-декстран как длинную молекулу полисахарида, к которой в нескольких местах прикреплены — за счет координационных связей железа с гидроксилами моносахаридных остатков — фрагменты мономерной гидроокиси железа! Именно так эти продукты изображают на рисунках, именно так описывают во всех статьях, патентах и фармакологических рецептурах — «полиизомальтозный комплекс гидроокиси трехвалентного железа» [6, 12, 13].

И что же получается? Кипящая соляная кислота едва-едва способна перевести в раствор этот злосчастный гематит, а тут вдруг добавили декстрана — и всё это трехмерное жестко полимеризованное образование почему-то рассыпалось на отдельные ионы (против всяких законов термодинамики), тут же избирательно прикрепившиеся к наиболее аппетитным местам молекулы полисахарида!

А если это ошибка? А вдруг там вообще нет никаких железо-декстрановых молекул, а есть только коллоидные частицы окиси железа (именно окиси, а не гидроокиси), модифицированные поверхностной иммобилизацией сахарных остатков? Тогда сразу объясняются все аномалии реологического поведения, странная химическая и термическая инертность и фантастически низкая токсичность «железо-декстранов» (будем и дальше называть их так). Но с какой такой радости молекула декстрана должна прикрепляться к поверхности наночастицы гематита? Вроде бы у нее, молекулы, нет никаких функциональных групп для этого: координация сахара и окиси железа — это что-то неслыханное от сотворения мира...

Нет, надо еще раз беспристрастно обдумать методику синтеза и обратить внимание на всякие непонятности и несуразности — мы явно упускаем какую-то важную деталь!

А из несуразностей синтеза можно назвать, пожалуй, только необычно жесткие условия его проведения: окись железа растворяется в декстрановом растворе только при кипячении в щелочной среде — около рН=11. Так может быть, столь жесткие условия нужны именно для химической модификации декстрана и введения в его молекулу функциональной группы, действительно необходимой для иммобилизации на поверхности? Например, карбоксильной группы, возникающей при окислении альдегидного фрагмента воздухом? Ладно, допустим, карбоксигруппа образовалась: греем гематит с раствором сахарокислоты — ну и что? С какой стати им реагировать? Нет, всё равно не монтируется.

А если мы греем в растворе сахарокислоты не какой-то там абстрактный природный гематит, а гематит особенный, недавно полученный осаждением из хлорного железа и сохранивший некоторое остаточное количество групп >Fe-Cl? Сколько-то их там действительно остается, не зря же реальная формула свежеосажденной гидроокиси железа изображается как [Fe(OH)k(Cl)3-k].

И тогда, нагревая поверхностный фрагмент >Fe-Cl с щелочным раствором сахарокислоты, мы банально заменим хлоридный остаток на карбоксилатный:

>Fe-Cl + DEXTR-COOH + NaOH → >Fe-O-C(O)DEXTR + NaCl + H2O (IV)

А будет ли устойчивым такое соединение? Еще как будет! Ведь у нас получился классический оксикислотный хелат железа, почти такой же, как цитратный или тартратный комплексы Fe(III): он образован не только связями >Fe-O-C(O)-, но еще и координационными связями ионов железа с атомами кислорода гидроксильных групп, расположенных в α-положениях к карбоксилам сахарокислоты.

И как-то сразу всё становится на свои места. Сразу же легко и безболезненно объясняются все аномалии химического поведения этих объектов, вызывавшие некоторую оторопь у Автора: и резкое, до нейтральности, падение величины рН в ходе нагревания щелочной гидроокиси железа с декстраном (ведь на прививку каждого моля декстрана расходуется по молю щелочи, уравнение IV), и отсутствие такого падения при использовании декстрана, предварительно окисленного химически, и удивительная легкость получения аналогичного производного (уже в слабокислой среде!) из карбоксиметилированного декстрана.

Остановимся и резюмируем. Похоже, получается, что так называемые железо-декстраны представляют собой отнюдь не «комплексы декстрана с гидроокисью железа (III)», как считается повсеместно. Они, строго говоря, вообще не являются химическими объектами — это довольно крупные частицы гематита, «обшитые» молекулами окисленного декстрана*.

* — Это предположение — результат сопоставления массы экспериментальных данных, категорически не укладывающихся в привычную «координационную» модель строения подобных веществ. А вот «коллоидная» модель уже позволила предложить непротиворечивое объяснение имеющегося фактического материала, именно она послужила основой последующих умозаключений и практических действий.

Хорошо, концы как будто сходятся, а противоречия снимаются — но всё равно картина, полученная на основе множества косвенных доказательств, может считаться не более чем непротиворечивой моделью — так же, впрочем, как и оспариваемая нами молекулярная модель строения «железо-декстрана». А можно ли изучить природу такого объекта каким-то прямым методом? Изучают же успешно микробов, органеллы клеток, вирусы, даже какие-то очень крупные молекулы можно рассмотреть с помощью электронного или атомно-силового микроскопа.

Тут надо было ангажировать специалистов по микроскопическим объектам, что мы и сделали: наши коллеги смогли — после некоторого периода замешательства, связанного с особенностями подготовки таких необычных проб, — получить микрофотографии железо-декстрановых и железо-декстриновых частиц (рис. 1).

Действительно, исследование с помощью атомно-силового микроскопа демонстрирует совокупность сферических или веретенообразных наночастиц с приятными на вид округлыми очертаниями и неожиданно близкими размерами: самые крупные частицы больше самых мелких всего в 3–4 раза. И это странно, ведь полидисперсность продукта можно назвать одной из главных проблем при получении синтетических наночастиц, но здесь ни очень крупные, ни очень мелкие частицы отчего-то просто не образуются.

Еще более информативной оказалась электронная микроскопия: в отличие от атомно-силовой микроскопии, этот метод «просвечивающий», а не «ощупывающий».

Наночастицы

Рисунок 1. Микрофотографии железо-декстрановых и железо-декстриновых частиц. Малое поле — две частицы железо-декстрина (препарат «Биожелезо»); фон — частицы железо-декстрана (препарат «Ферранимал»). Электронная микроскопия с негативным контрастом (фосфовольфрамовая кислота) позволяет наблюдать двухслойный характер наночастиц: плотное неорганическое «ядро» окружено гораздо менее плотной органической «оболочкой». При хорошем разрешении можно видеть и гетерогенность микрокристаллического «ядра» частицы. Изображения получены Н.Е. Сузиной, к.б.н., с.н.с. ИБФМ РАН.

Что же получается? Исследуемые объекты имеют вовсе не молекулярную природу, а являются довольно крупными гидрофильными наночастицами с гематитовым внутренним ядром и, судя по всему, «щеточной» прививкой декстрановых лигандов к поверхности.

«Щеточной» (brush-type) прививкой именуют такой тип иммобилизации лигандов на твердой поверхности, когда каждый из них прикреплен к поверхности носителя одной своей точкой, а свободные «хвосты» молекул ориентированы почти параллельно, уподобляясь ворсинкам щетки. Поскольку в каждой молекуле декстрина или декстрана имеется только одна — концевая — альдегидная группа, то при ее окислении в каждой молекуле может возникнуть единственная карбоксильная группа, способная к образованию ковалентной связи с поверхностным атомом железа (уравнение IV). Поэтому наиболее логичным было бы ожидать именно точечной прививки сахаридного лиганда по месту расположения в нем СООН-группы — и, конечно, попутного образования одной или нескольких донорно-акцепторных связей «заблокированного» карбоксилом иона железа с соседствующими гидроксилами олигосахарида.

А если так, то это позволит принципиально изменить технологию получения продуктов данного типа! Вещество со строением молекулярного комплекса мы были вынуждены по необходимости осаждать из раствора добавлением спирта или другого органического растворителя, но ведь сравнительно крупные (десятки нанометров, шутка ли!) частицы можно выделять из реакционной смеси куда более современными мембранными методами — например ультрафильтрацией в полых волокнах [18]. И как же быстро, чисто и безопасно всё получается — а в пермеате остается лишь избыточный декстран в растворе хлористого натрия. Так ведь мы теперь и его можем регенерировать и сконцентрировать, используя ультрафильтрационные мембраны с существенно меньшим пределом эксклюзии. Проблема бессмысленного перерасхода дорогого импортного полисахарида исчезает вроде бы сама собой, почти незаметно — «нечувствительно», как сказали бы в блистательном XVIII веке.

А почему, собственно, декстран наличествует исключительно импортный? В самом деле, отчего бы так — это что же, у наших отечественных стрептококков, трепетных стрептококков (ладно, пусть трепетных лейконостоков), не хватает патриотизма для синтеза в своих организмах отечественного же (1→6)-глюкана, именуемого в просторечии декстраном?

Нет, за микробами дело не станет, микробы как раз свое дело знают. Только вот произведенный ими высокомолекулярный декстран может считаться не более чем полуфабрикатом. Этот биотехнологический декстран потом надо погреть час-другой с разбавленной соляной кислотой, раствор нейтрализовать щелочью и разделить на молекулярно-весовые фракции с использованием стандартного набора из нескольких ультрафильтрационных колонок. Декстраны с молекулами средней длины пригодны для производства плазмозаместителей, с длинными — для сшивки и получения хроматографических материалов, с короткими — для фармакологических нужд вроде синтеза железо-декстранов или модификации белковых молекул.

А ведь существовало, существовало же у нас это производство на одном из известных фармацевтических производств — уж не будем его конкретизировать, — но было энергично ликвидировано администрацией предприятия как противное естеству. Реальное производство — это же приходится думать о сырье, о регламенте, об исправности оборудования и аналитическом контроле. Нужно ужасаться, просыпаясь ночью: а не упал ли в реактор пьяный аппаратчик?! Приходится опять выгонять на работу лаборантку на сносях — а она, как змей, так и норовит, так и норовит уклониться от достодолжного отправления своих служебных обязанностей и дезертировать в декрет.

Как это стерпеть?! Нет уж, лучше мы декстрановое производство закроем, технологическое железо сдадим в металлолом, а декстран-60000 для плазмозаменителей купим за границей и будем просто растворять его в воде — это и станет нашим производственным процессом. Говоришь, очень дорогим получится раствор из импортного декстрана? Так мы ведь и цену на наш продукт тоже подымем «в плепорцию» — и пусть теперь уже потребитель кряхтит, а не мы! Пусть теперь он, падла, ночью в холодном поту просыпается! Ах, жалко, говоришь, ах, стыдно?! Жалко — у пчелки, а стыд — не рыночная категория!

Однако мы отвлеклись на тему хоть и важную, но всё-таки не имеющую прямого отношения к истории железосодержащих наночастиц. Итак, констатируем, что как-то незаметно материализовался патент [18], а какое-никакое производство железо-декстранов было организовано «БИО» на базе цеха, арендованного у опытного завода Института микробиологии. Это позже его, цех то есть, привели в божеский вид, выбросили ржавое железо, покрасили потолки, вымыли окна и привезли разнообразное эффектное оборудование — но тогда, в начале, производственное помещение имело вид ужасающий!

Помнится, приехал к нам с ознакомительными целями наш соавтор и коллега, доцент-медик Павел Колесников из Сопредельной Державы, привлеченный нами (вместе с «детьми», как в его университете именуется аспирантская и магистрантская братия) для биомедицинских исследований железо-декстринов и железо-декстранов. И мы решили — просто в ознакомительных целях — зайти на Завод и поглазеть на оборудование.

А надо сказать, что за день до этого мы с ним не удержались и посмотрели по ТВ «Ван Хельсинга» — как Ван Хельсинг, стало быть, хоробрствует, побивая упырей и вурдалаков, оборотней и вервольфов, ведьм, колдунов и гульливых мертвецов. И еще там был сюжетно важный момент, когда Дракула на своем специальном заводике пытается искусственно выводить маленьких вампирчиков, но у него ничего воспроизводимого не получается: технология была сырой и плохо отработанной, персонал набирали с бору по сосенке — сплошная отсебятина, никакого пиетета к Регламенту и т.д. Ну и вот, когда мы наконец ввалились в наш цех с улицы, Колесников, бедолага, шарахнулся назад: «Господи, а где тут у вас этот, как его, Отодракула?!» Я как бы новыми глазами взглянул: и правда, интерьер — точь-в-точь как в производственном помещении у князя Дракулы Задунайского (рис. 2).

Опытный завод Института микробиологии

Рисунок 2. Мы на опытном заводе Института микробиологии. Антураж воспроизведен по памяти нашим гостем из Сопредельной Державы (улавливается также некое портретное сходство).

И тем не менее именно наши коллеги из Сопредельной Державы продемонстрировали на грызунах [19–21], что полученные таким образом железо-декстраны ничуть не уступают по эффективности прославленным импортным препаратам «Урсоферран», «Ферродекс», «Ферроглюкин» — с той лишь разницей, что являются куда более технологичными и дешевыми (позже было выполнено много подобных работ — например [22–24] — на сельскохозяйственных животных, но нас сейчас интересует именно история вопроса).

Тут Автор легкомысленно решил, что дело сделано, что можно расслабиться, увенчать себя лаврами, придать лицу глубокомысленное выражение и встать на площади в позе медной статуи. Увы, в этом состоянии он пребывал недолго.

Сначала родился резонный вопрос: если организм млекопитающего способен эффективно усвоить железо из наночастиц железо-декстрана при их парентеральном введении, то отчего же он этого не делает с проглоченными наночастицами? Ну, наверное, оттого, решили мы, что энтероцит (клетка кишечного эпителия, ответственная за дифференциацию съедобных и несъедобных частиц и последующее поглощение съедобных методом пиноцитоза или фагоцитоза) справедливо воспринимает их (1→6)-глюкановую поверхность как совершенно чуждую своей природе и с отвращением отбрасывает такие частицы во тьму внешнюю*. Но ведь можно попробовать заменить привитый (1→6)-глюкан на (1→4)-глюкан, то есть приготовить не железо-декстрановые, а железо-декстриновые частицы, и тогда причин для подобного отторжения уже не будет: (1→4)-глюканами позвоночные в основном и питаются — в их организмах разнородные (1→4)-глюканазы имеются в избытке.

* — «...Возьмите его и бросьте во тьму внешнюю, где плач и скрежет зубов» (Матф., 22:13).

Мысли об усвоении железа из железо-декстранового препарата

Может возникнуть вполне резонный вопрос: каким образом железо столь эффективно — практически количественно — усваивается из введенного в кровь железо-декстрана, если у млекопитающих нет ферментов, расщепляющих (1→6) гликозидные связи полисахаридов? Ведь декстрановые кровезаменители вполне комфортно циркулируют в кровотоке, выводясь в первозданном виде... Можно попытаться поискать объяснение, хотя вопрос и кажется отчасти схоластическим.

Да, декстран устойчив чрезвычайно, но всё же не абсолютно: очень медленно он всё-таки деградирует, хотя о механизме расщепления растворенного декстрана (или декстрановой «шубы» наночастиц) можно только гадать. Автор пытался сконцентрироваться на решении химико-технологических — а отнюдь не биохимических — проблем, но изредка позволял себе поразмыслить и о неположенном: например, предположить, что биологические глюканазы (как и все ферменты) не абсолютно специфичны и обладают следовой способностью расщеплять гликозидные связи иной, нежели (1→4), стереохимии. А разве нельзя допустить, что организм отвечает на длительный контакт с чужеродным для него декстраном синтезом глюканаз (1→6)-типа, которые в нормальных условиях ему совсем не нужны? А вдруг биодеградация полисахаридов не всегда инициируется непременным расщеплением их гликозидных связей и в каких-то случаях может начинаться, например, с глубокого окисления вицинальных диольных групп сахаридных колец? Доподлинно известно лишь то, что расщепление декстрановой «шубы» (и усвоение железа) происходит чрезвычайно медленно: после инъекции железо-декстрана депонирование металла в печени продолжается около двух недель! И в этом — главное преимущество подобных препаратов: огромная доза токсичного металла в течение столь длительного срока «размазывается» и переносится организмом сравнительно безболезненно.

Да, все оказалось именно так, как мы предполагали! Железо-декстрановый препарат беспрепятственно «пролетал» сквозь желудочно-кишечный тракт животных и экскретировался неизменным, никак не влияя на концентрации гемоглобина и эритроцитов, а вот железо-декстриновый усваивался исключительно эффективно и в считанные 10–15 дней восстанавливал исходные значения гематологических параметров анемичной крысы [19]. По терапевтической эффективности наши железо-декстрины были неотличимы от швейцарского препарата «Мальтофер» [19–22], несмотря на серьезные отличия размеров соответствующих коллоидных частиц — в «Мальтофере» они были в среднем почти вдвое мельче: судя по параметрам эксклюзии при ультрафильтрационных разделениях, «молекулярные» веса коллоидных частиц отечественных препаратов колеблются в пределах 150–300 кДа, а «Мальтофера» — 40–150 кДа. К тому же выводу приводит и сравнение микрофотографий, полученных с помощью атомно-силового микроскопа.

Вот так из железо-декстрана парентерального применения под названием «Ферранимал» получился железо-декстрин перорального применения «Биожелезо» [25]. Но взбесившуюся клячу истории было уже не остановить, она бешено галопировала, громыхая стременами и трензелями, и у Автора родилось следующее соображение. Все импортные препараты такого рода содержат только железо, что вполне естественно: реакция с декстраном характерна лишь для гидроокиси Fe (III), ионы других металлов ее не демонстрируют — а ведь повсеместно считается, что препарат такого рода представляет собой именно комплекс иона железа с полисахаридом. Но если мы имеем дело не с ионным комплексом, а с коллоидным препаратом, то отчего бы не включить в кристаллическую решетку гематита и другие полезные микроэлементы?

Конечно же, в рамках коллоидной модели ситуация обязана быть совершенно иной: соосаждение гидроокисей поливалентных биоэлементов — Cu, Co, Zn, Mn, Se и др. — вместе с гидроокисью трехвалентного железа (правильнее было бы трактовать этот процесс как захват M2+ или SeO32− развитой поверхностью коллоидных частиц по ионообменному механизму) с последующим обезвоживанием такой композиции непременно должно привести к включению гетероатомов в кристаллическую решетку полимерной окиси железа:

>Fe-OH + HO-Z-OH + HO-Fe< → >Fe-O-Z-O-Fe< (V),
где Z = Cu, Co, Zn, Mn, SeO

Какое множество блистательных, всё объясняющих идей превратилось в дым и было мгновенно забыто при первом же столкновении с низменным опытом и брутальной действительностью! Но не в этот раз — в эксперименте всё получилось именно так, как предсказывала модель: в ходе синтеза мы без труда получали железо-декстраны или железо-декстрины, модифицированные 10–20% гетероэлемента, и гетероэлемент этот присутствовал в ковалентно связанной форме, не демонстрируя никаких химических реакций, типичных для своих ионов [25]. А вот это уже было чрезвычайно интересным с практической точки зрения!

Дело в том, что микроэлементозы человека и животных — проблема тягостная и трудноразрешимая. Усвоение, например, железа из пищи определяется в основном не тем, сколько съедено железа, а тем, с чем оно съедено: фитат (соль фитиновой кислоты) злаков, полифенолы чая или кофе, оксалаты и фосфаты, кальций и цинк легко могут снизить степень усвоения железа до 3–4%, а аскорбиновая кислота, аминокислоты рыбы или мяса, наоборот, повысить его до 15–17% [26–28]. А ведь и другие переходные металлы усваиваются животными по-разному в зависимости от диеты, от особенностей микробиоты кишечника и т.п.: к примеру, уже упоминавшийся пищевой фитат резко уменьшает биодоступность ионов всех поливалентных металлов, а отнюдь не только железа.

Общеизвестны и процессы конкуренции ионов за каналы всасывания, то есть чисто биохимическое подавление усвоения одного иона другим. Давайте заглянем в справочные материалы [26, 27, 29, 30] — какие же микроэлементы конкурируют между собой за каналы ионного усвоения в ЖКТ? Перечень выглядит устрашающе: кальций конкурирует с железом, медью, магнием; медь конкурирует с цинком, марганцем, кальцием; железо конкурирует с цинком, медью, кальцием, кобальтом; кобальт конкурирует с железом и натрием; а селен — антагонист мышьяка и тяжелых металлов (Cd, Hg, Pb, Ni, Tl).

Поразительно, как это высшие организмы до сих пор не вымерли полностью: судя по литературным данным, обеспечить одновременное усвоение нескольких микроэлементов вообще почти невозможно — так свирепо враждуют они за каналы поглощения в клетках кишечного эпителия! В начале нашего рассказа мы, помнится, сокрушались о судьбе поросенка, способного усвоить из молока всего-навсего 3 мг железа в сутки при реальной потребности в 8 мг. Естественно, напрашивается вопрос: а почему бы самой свинье не повысить концентрацию железа в молоке? А вот нельзя — ведь молоко должно обеспечивать его еще и кальцием! Либо железо — либо кальций, и последний, похоже, поросенку нужнее — эволюция из этой ситуации так и не смогла найти приемлемого выхода. Ветеринарам поневоле пришлось воспользоваться альтернативным, парентеральным, методом введения железа — диверсифицировать, так сказать, пути поставки железа в поросячий организм.

А ведь есть еще проблема изменения состава кормов и пищевых продуктов в процессе хранения: окисление полиненасыщенных кислот и витаминов А, Е, С, потери йода и образование малорастворимых соединений поливалентных металлов связаны именно с наличием в пище ионных форм металлов переменной валентности — железа, меди, марганца [27–30].

Здесь у нас нет возможности обсуждать зловещую роль ионов переходных металлов в процессе порчи кормов, лучше подумаем о другом: что же произойдет, когда этот корм наконец будет съеден? Вот тут-то все водорастворимые компоненты корма перейдут в раствор и получат возможность беспрепятственно между собой реагировать! Ионы меди (II) начнут буйно окислять остатки йодид-ионов — если раньше сами не будут осаждены, вместе с ионами железа и кобальта, в виде фосфатов, оксалатов или сульфидов (некоторые концентрации гидросульфид-ионов присутствуют в пищевых продуктах изначально, отчасти сероводород продуцируется кишечными микроорганизмами из цистеина). Селенит-ион необратимо свяжется в прочнейшие соединения трехвалентным железом или другими ионами поливалентных металлов, а эти ионы в свою очередь образуют поистине неистребимые комплексы с фитатами или полифенольными компонентами пищи и стремительно помчатся сквозь кишку, превращаясь в продукт, из которого уже ничего больше сделать нельзя! А те из ионов, которые каким-то чудом не погибнут в ходе этой химической вакханалии, начнут яростнейшим образом конкурировать между собой, потому что все они из кишечника усваиваются по одному и тому же механизму, одними и теми же каналами...

Одно утешает: химус, то есть полужидкое содержимое кишечника, характеризуется довольно высокой вязкостью, ионы диффундируют в нём медленно, и все описанные катастрофические процессы просто не успевают пройти до конца по банальным кинетическим причинам. Некоторая часть ионов всё-таки всасывается мукозными клетками раньше, чем эти ионы будут беспощадно истреблены химическим взаимодействием с другими компонентами пищи. Да, нам повезло, что процесс пищеварения протекает вдали от положения термодинамического равновесия — иначе не видать бы нам йода, селена и железа как своих ушей! Ведь реально их нам и так не слишком много достается из первоначально съеденного количества.

И вдруг — решение! Простое, надежное, дешевое. Надо просто отказаться от ионных форм микроэлементов, ведь все перечисленные губительные процессы обусловлены именно взаимодействиями простых неорганических ионов между собой — ну, еще и с органическими компонентами пищи и транспортными каналами кишечника.

Технически эта задача в рамках коллоидной модели оказалась легко выполнимой — но только в отношении поливалентных металлов и селена. А как же быть с йодом? Без йода тоже нельзя, а он всё-таки одновалентный: ввести его в кристаллическую решетку гематита согласно уравнению V никак не получится.

Мысли об усвоении металлов из железо-декстринового препарата с гетероэлементами

«Вражда микроэлементов» выражается в конкуренции за ионные каналы, в «отравлении» специфических рецепторов, в образовании нерастворимых или недиссоциированных соединений (пары «медь-йод», «железо-фитат», «кальций-фосфат» и др.), но все эти прискорбные события происходят в просвете ЖКТ: после поступления микроэлементов в энтероциты и затем в кровь проблема отпадает — ионы кальция и железа не способны «враждовать» в плазме крови, там они химически совершенно индифферентны.

Огромное преимущество полимикроэлементных железо-декстриновых наночастиц состоит в том, что их разрушение происходит не в просвете ЖКТ, а уже внутри энтероцита или даже позже. Можно лишь предполагать, как именно протекает усвоение частицы энтероцитом и высвобождение из нее металлов: автору кажется наиболее вероятным процесс, аналогичный усвоению мицеллярных липидов (его начальная стадия — пиноцитоз или фагоцитоз наночастицы клеткой кишечного эпителия). Дело в том, что липиды в ЖКТ тоже присутствуют в основном не в молекулярной или ионной форме, а в виде крупных мицелл, включающих триглицериды, моноглицериды, свободные жирные кислоты и желчные кислоты, — и всё это благолепие отлично проглатывается энтероцитом в коллоидной форме. А ведь липидные мицеллы будут покрупнее железо-декстриновых! И проглоченную клеткой — специально или ненамеренно (вместе с липидной мицеллой), — железо-декстриновую частицу ей придется попытаться растворить, высвобождая микроэлементы в кровь. Если клетка способна на это (а способна она, если частица покрыта не декстраном, а декстрином), ионы металлов выделяются в кровяное русло и конкурировать между собой уже не могут.

Так ли уж нет альтернативы йодированию поваренной соли? Misterioso, elevato

Но с йодом определенно надо было что-то срочно решать! Что уж говорить о домашних животных, если, судя по литературным данным [31–34], до 70% англичан сейчас страдают йододефицитом — проблема оказалась весьма непростой, и элементарные решения здесь не годятся! Китайский император Чжу Дзы еще в 13 веке заставлял всех своих подданных есть морскую капусту для профилактики дефицита йода: уклоняющиеся от этого мероприятия автоматически объявлялись государственными преступниками — это исторический факт, — и их, надо думать, полагалось бить палками по пяткам, после чего отрубать голову. Ну, а ВОЗ в 1990-м провозгласила крестовый поход против нарушений йодного статуса — но, как говорится, воз и ныне там: половина населения Европы (если не учитывать приморские районы) нуждается в медикаментозной коррекции последствий йододефицита...

А посмотришь российские МУ 2.2.7.1064-01 «Контроль программ профилактики йоддефицитных заболеваний путем всеобщего йодирования соли» [35] в части эпидемиологии — здесь всё еще мрачнее: 15–25-процентная заболеваемость подростков центральных областей эндемическим зобом (!), среднее употребление йода в стране на уровне 40 мкг в сутки на человека, то есть в 3–4 раза меньше необходимого...

И потому эти МУ категорически предписывают йодировать соль! Рекомендуется хранить такую йодированную соль в полиэтиленовых мешках (а как же общеизвестная газопроницаемость полиэтилена?) или картонных коробках, использовать до истечения срока годности, сыпать в суп перед самым концом варки, и тогда общие потери йода не превысят 50%. Цитируем: «Как показала мировая практика, альтернативы йодированию соли для национальной программы йодной недостаточности нет».

Но так ли это? Нет, успехи советской медицины в ходе ликвидации наиболее катастрофических проявлений йододефицита этим методом несомненны, но ведь тогда применялось всеобщее обязательное йодирование соли (а-ля Чжу Дзы), которого сейчас добиться невозможно, и, кроме того, отчего-то нет у меня уверенности, что было избрано химически оптимальное решение. Мы уже говорили о том, что съеденное количество йода и усвоенное количество йода — это вообще-то совсем разные вещи, и что степень усвоения йодидов зависит от химической природы других компонентов пищи (при действии окислителей на йодиды элемент теряется в виде высвобождающегося летучего молекулярного йода, ионы меди осаждают абсолютно нерастворимый монойодид CuI и т.п.). А ведь йод еще и довольно ядовит — передозировки йодид-иона недопустимы, поскольку вызывают йодоз и патологии щитовидной железы [27, 34, 35]. Но как не допустить передозировки, если в количестве усвоенного йода мы можем легко ошибиться на порядок?

Ну хорошо, а как прочие живые организмы решают эту проблему? Бегемоты, тигры и тасманские дьяволы определенно не потребляют йодированную соль, и если они до сих пор не вымерли ни от йододефицита, ни от передозировки йода, то как это им удалось?

И тут выясняется, что с неорганическим йодом, в общем-то, никто в биосфере особенно и не встречается! Микроскопические и макроскопические водоросли переводят поглощаемые ими йодиды в органические формы этого элемента, а дальше все участники пищевых цепочек вплоть до высших хищников имеют дело только с йодированными белками или гормонами. Сухопутные хищные животные тоже более 90% алиментарного йода получают в форме йодоорганических соединений. И никто никогда не отравился йодом, объевшись морской капустой (водоросли, между прочим, содержат до 0,5% йода от сухого веса) или морской рыбой (до 0,5 мг% йода), чего никак нельзя сказать о неорганических йодидах и особенно йодатах, действительно очень опасных! Такой «органический» йод даже экскретируется из организма иначе — с калом, а не с мочой, как йод неорганический.

Поразительно, но средний японец ежедневно употребляет в пищу (за счет водорослей, рыб и морских гадов) около 3 мг йода, а во многих прибрежных регионах этого государства суточное потребление йода достигает 20 мг [34, 36] — и это при том, что эксперты ВОЗ считают безусловно токсичной для человека суточную дозу йода, превышающую 1 мг. Может быть, японцы очень страдают и массово вымирают от избыточного потребления этого опасного элемента? Ничего подобного — показатель средней продолжительности жизни в Японии (более 82 лет) едва ли не самый высокий в мире (чуть больше — только у жителей Андорры). А всё дело в том, что доля неорганического йода в этой невероятной дозе, 3–20 мг в сутки, совсем невелика.

Да, высшие организмы действительно способны усваивать и включать в состав своего тела неорганические соединения йода — но мало ли на что они способны! Этиловый спирт они тоже способны утилизировать, но это же не повод для создания национальной программы по всеобщей алкоголизации населения.

Так в каком же виде йод находится в той же ламинарии или разного рода морских моллюсках, кишечнополостных и ракообразных? В основном — в виде 3-моно- и 3,5-дийодтирозиновых аминокислотных остатков, входящих в состав соответствующих белков. А в организмах высших животных преобладающая часть йода представлена гормонами щитовидной железы: тироксином4) и, в меньшей степени, трийодтиронином3). Сама схема усвоения неорганических йодид-ионов организмами позвоночных предельно проста: окисление I до I2, йодирование тирозина с образованием 3,5-дийодтирозина, его ферментативное превращение (сдваивание) в Т4, утеря последним йодного остатка с образованием Т3.

I → I→ 3,5-дийодтирозин → тироксин, Т4 → трийодтиронин, Т3 (VI)

И — никаких указаний на токсичность йодированных аминокислот! Наоборот, 3,5-дийодтирозин долго применялся — в дозах порядка сотен миллиграммов в сутки — в качестве лекарства для лечения гипертиреозов (пока не были открыты значительно более эффективные гетероциклические тиреостатики).

Так может, не стоит столь самонадеянно посягать на устои обмена веществ, сложившегося в итоге миллиардов лет эволюции, и объявлять йодирование поваренной соли единственно возможным путем искоренения проблемы йододефицита? Давайте попробуем из схемы VI выбросить две первых стадии и начать непосредственно с дийодтирозина — так, как это делают, например, рыбы, крабы, морские моллюски и беспозвоночные. Не забудем также и того, что мудрый император Чжу Дзы именно с помощью йодтирозинов морской капусты исцелял своих ленивых и невежественных подданных.

А ведь и правда — зачем непременно делать атом йода «мостиковым»? Можно попробовать ввести йод в гематитовую структуру с помощью некоего вспомогательного лиганда, который смог бы образовать чрезвычайно прочную связь с ионом железа. Для этого лиганд должен включать:

  • йодированный ароматический заместитель (алифатические йодиды слишком легко восстанавливаются, теряя йодид-ион);
  • две функциональные группы в положениях 1,2- или 1,3-, способные к координации с ионом железа — карбоксил, сульфогруппа, гидроксигруппа, аминогруппа: предположительно надо брать ароматическую α-амино- или α-гидроксикислоту (возможно и использование β-изомеров) либо же дикарбоновую кислоту типа о-фталевой — тогда лиганд намертво прикрепится к какому-нибудь поверхностному иону железа и сможет считаться действительно иммобилизованным.

В принципе, перечисленным требованиям удовлетворяет целый ряд веществ: йодпроизводные фталевой, салициловой или п-гидроксибензойной кислот, α- и β-фенилаланинов, тирозина. Все они могут быть без труда получены и наверняка эффективно иммобилизуются в гематитовой матрице, но биологическое усвоение содержащегося в них йода и его превращение в Т3 и Т4 во всех случаях, кроме последнего, потребует предварительной минерализации этих ксенобиотиков до йодид-ионов. А эффективности такой минерализации мы знать не можем: вдруг бόльшая часть йода тогда выводится из организма вообще без биотрансформации исходного йодпроизводного или, например, в виде каких-то конъюгатов типа глюкуронидных, без расщепления ароматического цикла? Нет уж, раз мы решили дерзостно покуситься на схему VI, то и начинать надо прямо с 3,5-дийод-L-тирозина — так поступают сейчас разнообразные морские животные, так делали и средневековые подданные императора Чжу Дзы.

Срочно совершенствуем существующие схемы синтеза этого вещества, шлифуем процесс в препаративном масштабе, вводим дийодтирозин в железо-декстриновый коллоид, проверяем: всё верно, иммобилизуется — концентрация в равновесном растворе быстро снижается, аминокислота концентрируется в коллоидных частицах. Проверяем на рыбах, курах и коровах: да, имеет место значительное улучшение гормонального статуса животных (по показателям концентрации Т3 и Т4), отмечается резкое повышение содержания йода в животноводческой продукции [37–39].

Теоретически представляется несложным введение неионных форм любого биологического микроэлемента — ванадия, фтора, стронция и т.п. — в препараты перорального (железо-декстрины) и парентерального (железо-декстраны) назначения, но биомедицинского смысла в этом пока не видно. Может быть, он проявится позже? Лет сорок назад селен тоже считался абсолютно абиологичным и отравным элементом, не представляющим ровно никакого интереса для наших организмов.

И еще одно немаловажное обстоятельство: одновременное поступление в кровь группы микроэлементов в ходе утилизации общей для них наночастицы дает гарантию усвоения микроэлементов в оптимальных соотношениях. Последний тезис представляется исключительно важным, попробуем проиллюстрировать его на примере пары «селен-йод».

Кроме упоминавшихся выше явлений конкуренции и антагонизма микроэлементов, хорошо известны и эффекты их синергизма — именно это характерно для данной пары. И усвоение йода из пищи, и его дальнейшая биохимическая трансформация в отсутствие селена до крайности неэффективны, и в идеале следовало бы регламентировать не только массу усвоенного из пищи йода (именно усвоенного, а не потребленного!), но и величину отношения массы усвоенного йода к массе усвоенного селена. И это с учетом того, что соединения обоих элементов очень токсичны (а), что факторы, определяющие степень усвоения каждого из ионных соединений, абсолютно различны (б), что с банальным йододефицитом не могут справиться даже самые развитые страны Европы (в). Как отрегулируешь отношение йода к селену в таких условиях?!

Но ведь решение лежит на поверхности: надо не разделять селен и йод на две независимые молекулярные формы, а объединить их в такой структуре, которая при ее биохимическом расщеплении выдала бы йод и селен в должном соотношении. Наверное, можно было бы придумать и синтезировать низкомолекулярное химическое соединение, отвечающее этому требованию, но «коллоидный» подход предлагает уже готовое решение, исключительно дешевое, технологичное и, главное, абсолютно безопасное: ведь все попытки экспериментального определения нижнего концентрационного уровня токсичности железо-декстринов были неудачными (LD50 >> 2000 мг/кг [17, 40]). Ни при каких физиологически возможных дозах потребления железо-декстрины не показывают сколько-нибудь заметной токсичности.

Эволюция жидкостной хроматографии — от ЖХ к ВЭЖХ и далее к сверх-ВЭЖХ: почему бы и нет? Spirituoso, amoroso

А в заключение попробуем выкарабкаться из чуждых нам сфер биохимии и нутрициологии и вернуться на родную физико-химическую стезю. И тут тоже обнаруживаются довольно неожиданные возможности, если только рассматривать подобные коллоиды (безотносительно к химическому составу внутреннего металлического ядра частиц) просто как исключительно концентрированные, стабильные и маловязкие дисперсные системы.

Итак, имеем сферические «углеводные» частицы с размерами 30–80 нм, диспергированные в водной среде с общей весовой концентрацией до 10–20% (можно и больше, но вязкость ощутимо повысится), не проявляющие ни малейшего стремления к агрегации или образованию осадка в широком диапазоне температур и величин рН! И вдобавок частицы биосовместимые (железо-декстраны совершенно индифферентны к ферментам животных) — это же почти идеальные носители для разнообразных иммобилизованных ионов, молекул и лигандов! А ведь способы закрепления простых органических группировок (ионообменных, афинных и т.д.), равно как и способы иммобилизации пептидов и белков на углеводных поверхностях (сефарозе, агарозе и пр.) хорошо известны — и химические, и иммунологические.

Но наиболее оригинальной кажется перспектива разработки хроматографических разделений принципиально нового уровня при использовании подобных частиц в качестве «неподвижной твердой фазы».

Возьмем всеми любимую и востребованную высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ): она отличается от изначального варианта колоночной ЖХ только размерами частиц сорбента — они составляют 2–10 мкм вместо 50–200 мкм в ЖХ. Движение жидкости сквозь слой столь мелких частиц уже требует значительных внешних давлений (обычно 50–60 атмосфер) и, стало быть, совершенно нового и довольно дорогого инструментального оформления. Но и характеристики хроматографического разделения изменяются радикально: общая эффективность современной колонки для ВЭЖХ составляет 4–5 тысяч теоретических тарелок, что позволяет разделять смеси десятков веществ, а длительность процессов сократилась до минут или десятков минут. Поразительно — всё это было достигнуто единственно за счет 10–20-кратного уменьшения размеров частиц твердой фазы и проистекающего отсюда улучшения кинетики процессов адсорбции-десорбции разделяемых веществ. Дальнейшее уменьшение размера частиц сорбента для ВЭЖХ (в высшей степени желательное и многообещающее!) считается нереальным по чисто техническим причинам: нет возможности создания насосов, фильтров, дозирующих устройств и детекторов для аналитического прибора, стабильно работающего под давлением в сотни или тысячи атмосфер.

Но решение проблемы, видимо, можно найти, и — что поразительно — оно не потребует увеличения давления элюента, а скорее наоборот, может быть реализовано в гораздо более мягких (в сравнении с ВЭЖХ) условиях. Надо только попробовать взглянуть непредвзято, в непривычном ракурсе на обоснованность самого принципа устройства хроматографической колонки: со времен изобретения метода М. Цветом [41] конструкторы, похоже, решились на одно-единственное ее усовершенствование — замену стеклянного корпуса металлическим! Точно так же и сейчас колонка представляет собой цилиндрический сосуд, заполненный сорбентом, а сам слой сорбента на выходе ограничивается фильтром, перпендикулярным оси колонки: фильтр не препятствует движению потока жидкости, задерживая, однако, частицы сорбента (рис. 3а).

Но почему плоскость фильтра должна быть непременно ориентирована перпендикулярно направлению движения потока жидкости? Мы привыкли к такому принципу конструкции фильтрующих устройств, но, вообще говоря, оно вовсе не является единственно возможным. В химической технологии, помимо традиционных нутч-фильтров, давно используются устройства для микрофильтрации на плоских пористых мембранах или в пористых волокнах: в этих случаях поток жидкости движется уже параллельно поверхности фильтра-мембраны, а фильтрат (или пермеат) отбирается в тангенциальном направлении. Что мешает использовать тот же принцип в жидкостной хроматографии, заменив «перпендикулярный потоку фильтр» на «параллельный потоку»? Да в общем-то ничего не мешает (рис. 3б) — а препаративная газовая хроматография в «кипящем слое» движущихся частиц твердой фазы, кстати, химикам и технологам давно известна.

От ВЭЖХ к сверх-ВЭЖХ

Рисунок 3. От ВЭЖХ к сверх-ВЭЖХ. а — Схема колонки для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ): частицы сорбента (диаметром 5–10 мкм) жестко закреплены между двумя фильтрами, перпендикулярными потоку элюента. б — Схема установки для сверх-ВЭЖХ: частицы сорбента (0,03–0,08 мкм) свободно движутся между ультрафильтрационными мембранами (или внутри полого волокна из мембранного материала), поток отбираемого пермеата перпендикулярен потоку циркулирующего элюента. Скорость циркуляции и давление в системе поддерживаются насосом и регулятором. Рисунок автора статьи. Чтобы посмотреть рисунок в полном размере, нажмите на него.

Попробуем сравнить приблизительные характеристики подобных хроматографических материалов (назовем их фазами для ВЭЖХ и, условно, СВЭЖХ, то есть «сверх-ВЭЖХ») и устройств на их основе. Площадь поверхности используемого сорбента в ВЭЖХ и СВЭЖХ — соответственно 200–600 м2/г и 5000–7000 м2/г, размер частиц сорбента — 5–10 мкм и 0,03–0,08 мкм, плотность заполнения объема устройства твердым сорбентом — 0,3–0,4 г/см3 и 0,10–0,20 г/см3, степень пористости частицы — высокая для сорбента ВЭЖХ и отсутствует для сорбента СВЭЖХ (колоссальный выигрыш в скорости массообмена!), требуемое рабочее давление — 50–60 атм и 0,05–2 атм, приблизительное отношение площади фильтрующей поверхности к объему колонки (работа в режиме фильтрующих волокон) — 0,002 м2/л и 4–6 м2/л. Так вот почему удастся резко снизить рабочее давление: площадь фильтра в СВЭЖХ (в сравнении с ВЭЖХ), отнесенная к единице объема устройства, возрастает на три порядка! Что касается природы иммобилизованной на частицах неподвижной фазы, то она, полагаю, может быть самой разнообразной: не представляет сколько-нибудь серьезных сложностей прививка к их декстрановой поверхности гидрофильных или ионообменных групп, афинных и металлоафинных фрагментов, пептидных и полипептидных лигандов.

При столь необычной конфигурации колонку, возможно, трудно будет использовать в традиционных вариантах проявительной хроматографии, но во фронтальном или вытеснительном вариантах — отчего бы и нет? Например, в режимах афинной хроматографии, флэш-хроматографии и твердофазной экстракции. Едва ли переход от ВЭЖХ к СВЭЖХ станет столь же революционным, как возникновение самой ВЭЖХ, но даже сама возможность уменьшения — на два порядка! — размера частиц сорбента с резким увеличением их эффективной общей поверхности представляется достойной внимания.

Братья хроматографисты, ау!

«И сказал сидящий на престоле: се, творю новое! Жаждущему дам даром от источника воды моей. Боязливых же, и неверных, и скверных, и любодеев, и чародеев, и убийц, и идолопоклонников — участь в озере огненном, кипящем серою» (Откр. 21:5–8).

Послесловие. Maestoso, espressivo

Таким мощным аккордом — лучше уже не скажешь! — и следовало бы завершить изложение темы, но, к сожалению, «биологическая» сюжетная линия получилась очевидным образом оборванной: начал про свиней, а кончил хроматографией — куда это годится? И несколько слов о нынешнем производственном и коммерческом состоянии проблемы, наверное, следовало бы сказать, хотя эта тема для нас явно посторонняя.

Да, производятся теперь в стране — вполне официально и в промышленных масштабах — собственные железо-декстраны и железо-декстрины (препараты серий «ферранимал», «седимин», «суиферровит», «биожелезо», «ферропептид») [42], ну а полимикроэлементные железо-декстрины (уже человеческие, а не звериные) серий «экоферрин» и «ферропептон» упорно продираются сквозь изощренные рогатки присматривающих, регламентирующих и директивных инстанций. Но всё это уже относится к области рекламы и может быть интересно только узким специалистам — а у нашей «Повести» цель была совсем другой, и мы попробуем сформулировать общезначимый вывод следующим образом:

Радуйся, юноша, в дни юности своей! Вкушай от плодов произращенных, и от сока лозы своей, и от тука стад своих, но помни: блага ты достигнешь лишь в том случае, если решительно изгонишь ионизированные формы микроэлементов из всех стадий сладостного процесса пищеварения — начиная от стола и кончая стулом!

Литература

  1. Алиментарная (железодефицитная) анемия поросят (Anemia alimentaria) — Болезни молодняка. Ветеринарная медицина;
  2. Карпуть И.М., Абрамов С.С., Щербаков Г.Г., Левченко В.И., Кондрахин И.П., Коробов А.В. и др. Внутренние незаразные болезни животных: учебник / под ред. Карпуть И.М. Мн.: Беларусь, 2006. — 679–680 с.;
  3. Отравление солями железа. Детские болезни;
  4. Бандман А.Л., Волкова Н.В., Грехова Т.Д., Гудзовский Г.А., Давыдова В.И., Дворкин Э.А. и др. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп: справ. изд. Л.: Химия, 1989. — 592 с.;
  5. Отравление железом. Surgery Zone;
  6. Мальтофер. Монография по препарату (3-е издание). М.: Мега Про, 2001.
  7. Nissim J.A. and Robson J.M. (1949). Preparation and standardization of saccharated iron oxide for intra venous administration. Lancet1, 686–689;
  8. London E. and Twigg G.D. (1953). Therapeutic preparations of iron. Patent US2820740 A;
  9. Тарасова И.С. и Чернов В.М. (2014). Эволюция внутривенных препаратов железа. Эффективная фармакотерапия. Педиатрия58, 22–26;
  10. Барер Г.М. и Зорян Е.В. Декстран // Рациональная фармакотерапия в стоматологии. М.: Литтерра, 2006. — 568 с.;
  11. Свиридов С.В. (1999). Гетерогенные коллоидные плазмозаменяющие растворы: настоящее и будущее. Российский журнал анестезиологии и интенсивной терапии2, 156–160;
  12. ФЕРРУМ ЛЕК® (FERRUM LEK) таблетки жевательные. Справочник Видаль «Лекарственные препараты в Казахстане»;
  13. Железа (III) гидроксид полимальтозат (Ferric (III) hydroxide polymaltosate): инструкция, применение и формула. Регистр лекарственных средств России® РЛС®;
  14. Малинская В.П. и Ахметханов Р.М. Получения и свойства коллоидных растворов: учебное пособие. Уфа, 2011. — 80 с.;
  15. Чалый В.П. Гидроокиси металлов (закономерности образования, состав, структура, свойства). Киев: Наукова думка, 1972. — 160 с.;
  16. Получение и свойства гидроксохлорида железа (III), текстурированного в полые шарообразные микрочастицы;
  17. Новые возможности в лечении железодефицитной анемии. (2002). Провизор18;
  18. Ариповский А.В. и Борисов Н.В. (2003). Способ получения железосодержащего лекарственного средства. Пат.RU № 2198665;
  19. Чопей И.В., Колесник П.О., Албок Е.И., Ариповский А.В., Туряница П.Д. (2007). Моделирование железодефицитной анемии, возможности использования железополимерных комплексов для ее коррекции. Лабораторная диагностика3, 31–36;
  20. Колесник П.О., Албок Е.А., Шемет В.С., Ариповский А.В., Туряница П.Д. (2008). Влияние железо-декстранов и белковых гидролизатов на показатели красной крови и клеточного иммунитета при анемии в эксперименте на крысах. Лабораторная диагностика4, 47–51;
  21. Ариповский А.В. и Гуревичев П.А. (2007). Новые российские препараты против анемии. Промышленное и племенное свиноводство4, 52–53;
  22. Уразаев Д.Н., Дельцов А.А., Антипов А.А. (2016). Способ профилактики и лечения железодефицитных состояний поросят и телят при гиповитаминозе ЕПат.RU № 2576779;
  23. Карманов А. и Дельцов А. (2012). Суиферровит-А против анемии и отечной болезни. Ветеринария1, 60–61;
  24. Могилева А.Н. (2012). Эффективность ферропептида для профилактики железодефицитной анемии поросят. Ветеринарная патология4, 24–26;
  25. Ариповский А.В., Френк А.М., Колесник П.О., Албок Е.И. (2011). Способ получения микроэлементного лекарственного средства на основе железо-декстринового комплекса. Пат.RU № 2409375;
  26. Allen L.H. and Ahluwalia N. Improving iron status through diet. John Snow, Inc’/OMNI Project, 1997. — 90 p.;
  27. Ребров В.Г. и Громова О.А. Витамины, макро- и микроэлементы. Обучающие программы РСЦ института микроэлементов ЮНЕСКО. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. — 960 с.;
  28. Уразаев Д.Н., Дельцов А.А., Парасюк Л.П., Уразаева Р.Д. Биологическая роль железа. Применение железосодержащих препаратов в ветеринарной медицине. М.: Колос, 2010. — 103 с.;
  29. Ших Е.В. (2004). Взаимодействия компонентов витаминно—минеральных комплексов и рациональная витаминотерапия. Русский Медицинский Журнал17, 1011–1012;
  30. Сидорова И.С. и Унанян И.Л. (2011). Актуальные аспекты применения витаминно-минеральных комплексов для беременных и кормящих женщин. Медицина Москвы;
  31. Vanderpump M.P., Lazarus J.H., Smyth P.P., Laurberg P., Holder R.L., Boelaert K., Franklyn J.A. (2011). Iodine status of UK schoolgirls: a cross-sectional survey. Lancet. 377, 2007–2012;
  32. de Benoist B., McLean E., Andersson M., Rogers L. (2008). Iodine deficiency in 2007: global progress since 2003. Food Nutr. Bull. 29, 195–203;
  33. Кочергина И.И. (2009). Профилактика и лечение дефицита йода и эндемического зоба. Русский Медицинский Журнал24, 1599–1603;
  34. Герасимов Г.А. (2004). Безопасность йода и йодата калия. Клиническая тиреоидология2, 10-14;
  35. Состояние здоровья населения в связи с состоянием питания. (2001). Методические указания МУ 2.3.7.1064-01;
  36. Nagataki S. Status of iodine nutrition in Japan. In: Iodine deficiency disorders: a continuing concern / Delange F., Dunn J., Glinoer D. N.Y.: Plenum Press, 1993. — P. 141–146;
  37. Акчурина И.В., Поддубная И.В., Васильев А.А., Вилитис О.Е., Тарасов П.С. (2013). Альтернатива гормональным препаратам для усиления интенсивности роста рыбы. Аграрный научный журнал10, 3–4;
  38. Васильев А.А., Поддубная И.В., Акчурина И.В., Вилитус О.Е., Карасев А.А., Пономарев А.В. (2014). Влияние йода на продуктивность ленского осетра. Рыбное хозяйство3, 82–84;
  39. Могилева А.Н. (2012). Ферропептид для коррекции йодной недостаточности телят. Ветеринария12, 45–47;
  40. Антипов А.А. и Дельцов А.А. (2004). Влияние энтеральных лекарственных препаратов железа на клиническое состояние крыс и морфологию кишечника в эксперименте по изучению острой токсичности. Российский ветеринарный журнал (сельскохозяйственные животные). 1, 16–18;
  41. биомолекула: «Возвращение Цвета»;
  42. Ариповский А.В. (2006). Железная защита от анемии. Зооиндустрия8.

Автор: Ариповский Александр.

Число просмотров: 504.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Технология»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Повесть о наночастицах

Александр — 21 сентября, 2016 г. 16:51. (ссылка) (свернуть ветвь)

АЛЕКСАНДР – ВЛАДИМИРУ, НАТАЛИИ.
Уважаемые коллеги, похоже, профессиональные химики редко забредают на этот сайт, а жаль: химикам поневоле приходится на четвертом курсе сдавать экзамен по коллоидной химии – пусть со стонами, ругательствами, шпаргалками,- но в наночастицах они по этой причине знают толк, в отличие, как мне кажется, от среднестатистического биолога. Давайте же попробуем мобилизовать остатки своих университетских познаний и выяснить вопрос: а используются ли нанотехнологические подходы живыми организмами для решения тех или иных своих задач?
Нет, это слишком неконкретно. Сформулируем иначе: может ли живая клетка воспроизводимо поглощать из внешней (по отношению к данной клетке) среды какие-либо устойчивые в этой среде наночастицы, и если может, то каким образом? А может ли живая клетка с какими-то своими целями продуцировать и выбрасывать во внешнюю (по отношению к конкретной клетке) среду серии стабильных в этой среде наночастиц? И что думают по этому поводу вероучители? Обращаю внимание на то, что все изложенные ниже примеры почерпнуты из авторитетных справочных пособий, никаких собственных утверждений или предположений я не добавил.
Итак, рассмотрим процесс усвоения жиров энтероцитами – клетками кишечного эпителия. В учебнике биологии для средней школы пишут: липиды гидролизуются до глицерина и жирных кислот, которые далее диффундируют сквозь стенку энтероцита. Как бы не так! Кишечные липазы способны расщепить липид максимум до 2-ациглицерида (в воде тоже, как и триглицерид, не растворяющегося), а уж со стеринами или жирорастворимыми витаминами А, Е, D они вообще ничего сделать не могут – так что ж нам, совсем без них обходиться? Без жирорастворимых витаминов ноги протянешь очень скоро. Нет, все происходит совсем иначе!
Сначала в тонкий кишечник выделяется желчь – конъюгаты холевых кислот с глицином и таурином, эффективнейшие поверхностно-активные вещества. Затем за счет перистальтического движения кишечника и действия этих детергентов жировая фаза диспергируется в очень тонкую наноэмульсию (капли диаметром 20-500 нм) с огромной общей поверхностью, которая и подвергается атакам липолитических ферментов. По мере продвижения по тонкому кишечнику жировая эмульсия трансформируется в еще более тонкую мицеллярную эмульсию (частицы диаметром 5-20 нм): водонерастворимое ядро частицы, состоящее из глицеридов, стеринов, водонерастворимых витаминов и пр., солюбилизировано желчными кислотами, моноглицеридами, жирными кислотами. Что же происходит потом? Раньше уклончиво писали, что происходит «мицеллярная диффузия» наночастицы липида в энтероцит. Ничего себе диффузия – да как же частица размером в 20 нм и массой в 50-100 кД может свободно пройти сквозь клеточную стенку, если даже для крохотных ионов меди, кальция железа или примитивных пептидов с молекулярной массой 150 Д в этой стенке предусмотрены строго индивидуальные высокоселективные транспортные каналы?
Нет, сейчас этот процесс интерпретируется иначе. Энтероцит поглощает мицеллярную наночастицу за счет пиноцитоза – неселективного захвата капли жидкости (вместе с содержащимися в ней наночастицами) из окружающей среды. Процесс полностью идентичен фагоцитозу (собственно, фагоцитоз отличается только тем, что захватывается твердая частица, а не порция жидкости), отличается поразительной эффективностью и производительностью
Ну, а дальше? Что происходит с липидами в энтероцитах и как они попадают к месту назначения, например, в печень? А дальше нанотехнологический подход используется уже для транспорта жиров, витаминов и стероидов по лимфатической и кровеносной системе. Итак, энтероцит синтезирует свои собственные липиды (в основном триглицериды) из поглощенного им сырья, формирует из них поток наночастиц, именуемых хиломикронами (диаметр - 70-600 нм), и выделяет их в лимфатические сосуды, из которых они проникают в сосуды кровеносные и потоком крови транспортируются в надлежащую точку: хиломикроны стабилизированы уже не желчными и жирными кислотами, как мицеллы в кишечнике, а специальным белком. А уж какова производительность такого нанотехнологического транспорта, всем известно – порядка 100 г липида в сутки. Вот вам и ничтожные наночастицы.
Отвлечемся от липидов и рассмотрим обмен холестерина: без холестерина нам никак нельзя – все-таки важнейший структурный компонент любой клеточной стенки. Та вот, разносчиком эфиров холестерина «по принадлежности» являются наночастицы, именуемые липопротеинами низкой плотности, ЛПНП (около 20 нм), а «скэвенджерами», уборщиками холестерина являются другие наночастицы, ЛПВП, липопротеины высокой плотности (около 10 нм). В нормальном состоянии весь холестерин, транспортируемый ЛПНП из печени нуждающимся клеткам, достигает адресата, а избыток его (или стероидные продукты разрушения клеточных стенок) ЛПВП эффективно собирают и транспортируют обратно. Ну да, а атеросклероз возникает не оттого, что человек съел слишком много холестерина, а оттого, что ЛПВП отчего-то снизили эффективность уборки холестеринового мусора (или маловато этих частиц, или жирнокислотный состав у них неподходящий): тогда холестерин, уже не солюбилизированный специальными белками в виде наночастицы ЛПВП, вываливается вместе с триглицеридом в кровеносном сосуде в своем «натуральном» водонерастворимом состоянии, прилипает к стенке артерии в виде пятна или бляшки – а там полиненасыщенные кислоты в бляшке начинают полимеризоваться за счет окисления (как при высыхании масляной краски), бляшка начинает кальцифицироваться – со всеми вытекающими последствиями… А попробуем рассмотреть теперь, например, процесс выделения азота, фосфора, кальция почками в виде субстанции, именуемой уриной. Что в ней такого – раствор и раствор. Но если провести эксперимент – выпарить досуха один объем мочи и попытаться растворить сухой остаток в чистой воде, то мы с удивлением обнаружим, что для этого потребуется уже не 1 объем воды, а 6-10 объемов! А все оттого, что моча не является истинным раствором – мочевая кислота (в виде кислоты в воде растворима очень плохо), фосфаты, оксалаты и другие малорастворимые соли кальция содержатся в ней в виде наночастиц, солюбизизированных специальным белком. И солюбилизирована вся эта неорганика просто-таки фантастически эффективно: стерильная моча может храниться без малейших изменений сколь угодно долгое время, а вот из нестерильной скоро выпадает «мочевой камень» - микробы подъедают солюбилизирующий белок, разрушая коллоид, а истинная растворимость мочевой кислоты и солей кальция в воде, как уже говорилось, гораздо ниже их реальной концентрации в моче. И мочекаменная болезнь возникает отнюдь не из-за того, что человек потребляет много кальция или пьет очень жесткую воду – все это суеверия; нет, это следствие генетических или инфекционных нарушений синтеза белков, стабилизирующих коллоидный раствор малорастворимых веществ: неорганические или уреатные компоненты, не удаляясь в виде наночастиц, начинают кристаллизоваться в почечных лоханках или мочеточниках, образуя уже макроскопические сростки, именуемые камнями.
А фармакологическое применение наноколлоидов! Сколько же есть лекарственных препаратов, просто-таки совершенно нерастворимых в воде – и антибиотики (например, полиеновые), и стероиды, и витамины, и противовоспалительные агенты, и липиды для парентерального питания, и элементоорганика (хоть бы те же селеноорганические «селепиран», «эбселен» или ДАФС, коими нас потчуют – и не без успеха – для устранения дефицита этого элемента). Никак без них не обойтись – но истинных водных растворов эти вещества не образуют в принципе, а ведь нужны не только препараты перорального приема, но и инъекционные. Ну, их и готовят в виде абсолютно стабильных мицеллярных эмульсий – с частицами диаметром менее 100 нм; и великолепно усваиваются они – что из кишечного химуса при пероральном приеме, что из кровяного русла при приеме парентеральном. Недавно в приложении к БАСФовскому каталогу видел красивенькие фотографии 80-нанометровых мицеллок их препарата витамина А, эмульгированного их же фирменным детергентом коллифором HS-20 (вроде ТВИНа – полиэтиленгликоль, терминированный жирной кислотой, специально для парентеральных препаратов).
Какой вывод из всего изложенного? Да только тот, что метод генерирования наночастиц клетками – как и их поглощение клетками из внешней, по отношению к клетке (но не обязательно к организму), среды – давным-давно и с большим успехом используется эпителиальными или отдельно живущими клетками в тех случаях, когда нужно обеспечить транспорт больших объемов водонерастворимых веществ. Так что нельзя утверждать, что биология и нанотехнология – вещи несовместные.
Ох, что-то я растекся мыслию – совершенно неприличным образом, целая лекция получилась. В заключение напомню только, что ОТ СЕБЯ я не добавил ни слова – все изложенное почерпнуто из авторитетных и общепризнанных литературных источников.

(ответить)

Re: Re: Повесть о наночастицах

Владимир — 22 сентября, 2016 г. 17:45. (ссылка)

Это ещё одна статья..кстати хорошая...но авторитетные мнения - не очень интересно..вот своё,оригинальное,из ряда вон выходящее...что-нибудь,чего ещё никто не знает о наночастицах или, вообще, о молекулярной биологии..

(ответить)

Re: Повесть о наночастицах

Владимир — 13 сентября, 2016 г. 10:23. (ссылка) (свернуть ветвь)

Может это и хорошо!Только затем эти частицы попадут в человека и.. что будет? Мы в своих опытах в воду вводили наночастицы пироуглерода,мелкодисперсного графита.Они активной поверхностью в 10 раз активизировали скорость роста стволовых клеток,скорость роста всех клеток...получалось похоже на рак..наночастиц в природе нет и они достаточно опасны..

(ответить)

Re: Re: Повесть о наночастицах

Natalia — 16 сентября, 2016 г. 00:44. (ссылка) (свернуть ветвь)

Владимир, кто вам такую глупость сказал, что в природе нет наночастиц? А атмосферная пыль? А минеральная пыль пустынь (увы, не знаю как правильно сказать по-русски)? А продукты сжигания обычного дерева в обычном камине? Много наночастиц manmade (боже, а это как по-русски сказать?), но и много частиц образуются естественным путем в природе..
Биомолекулы (не все, но многие) кстати тоже вполне попадают под определение наночастиц.
Сколько копий уже сломано на тему опасности наночастиц. Опасны не все, и не во всех условиях. Например, биоразлагаемые полимерные наночастицы-переносчики активного лекарства - опасны?

(ответить)

Re: Re: Re: Повесть о наночастицах

Владимир — 16 сентября, 2016 г. 11:53. (ссылка)

Пыль-это микрочастицы..а если некоторые и опасны,значит опасны-все..значит надо 100 раз проверить,но любые отклонения от природы могут иметь опасные для человека последствия..природа человека и так достаточно испорчена цивилизацией...биомолекулы-наночастицы также опасны..это и яды, и клеточные модификаторы, и источники трансформации ДНК и др..крайне неосторожно и безответственно утверждать,что технологии основанные на химии-безвредны..а где примеси,загрязнения от которых до конца не избавиться..даже в водке-растворе гидролизного спирта-до 5% примесей: альдегидов,кетонов,метиловаго спирта,ацетона..всё убивает печень и почки..пусть уж лучше свиньи растут сами по себе..

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.