Актуальность
Особенности структуры наноразмерных частиц представляют большой интерес для понимания их физических и функциональных свойств. В частности одним из важных и перспективных направлений является изучение наночастиц, синтезированных в живых организмах, а также их искусственных аналогов. Примером таких наночастиц служат наноразмерные «железные ядра» в макромолекулах железодепонирующих белков - ферритинов. Эти белки обеспечивают живые организмы железом, необходимым для биосинтеза жизненно важных железосодержащих белков. При этом структура «железных ядер» в ферритинах, как синтезированных в разных органах одного организма, так и в различных организмах, отличается. С другой стороны, в случае недостатка железа в организме и возникающей в результате этого железодефицитной анемии для лечения последней применяются различные железосодержащие препараты, включая железо-полисахаридные комплексы, являющиеся синтетическими аналогами макромолекулы ферритина. В этом случае особенности структуры «железных ядер» аналогов ферритина могут определять эффективность этих препаратов.
Одним из наиболее чувствительных методов диагностики состояния ионов железа в различных объектах является мессбауэровская спектроскопия на ядрах 57Fe. В частности, с помощью мессбауэровской спектроскопии можно исследовать связь структуры локального окружения и параметров сверхтонкой структуры ядер 57Fe. Возможности этого метода существенно возрастают при использовании мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением, т.е. с дискретизацией опорного сигнала скорости допплеровской модуляции на 4096 шагов (см. Oshtrakh M.I., Semionkin V.A. // Spectrochimica Acta, Part A. - 2013. - V. 100. - P. 78-87). Поэтому данный метод впервые применен для более детального изучения особенностей структуры наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его аналогов.
Степень разработанности
Физические свойства макромолекул ферритина и его аналогов изучаются более сорока лет во многих лабораториях мира. Тем не менее, эти макромолекулы все еще остаются объектами различных исследований. В частности, это связано с тем, что структура наноразмерных «железных ядер» и особенности их формирования в различных макромолекулах ферритинов, а также их аналогов до сих пор недостаточно изучены ввиду чрезвычайной сложности этих объектов. До настоящего времени ведутся научные дискуссии по поводу особенностей формирования «железных ядер», в результате чего отсутствует общепринятое представление о модели структуры «железного ядра» как в различных ферритинах, так и в их аналогах. Поэтому дальнейшее изучение «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его аналогов различными физическими методами с целью разработки новых подходов к формированию представлений о структуре наноразмерного «железного ядра» остается актуальным.
Цель работы:
Изучение особенностей структуры наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его фармацевтически важных аналогов, а также в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.
Задачи работы:
1. Характеризация исследуемых объектов (ферритина печени человека, тканей печени и селезенки и фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек) методами трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной спектроскопией, рентгеновской дифракции, электронного парамагнитного резонанса, термогравиметрии и магнитных измерений.
2. Измерение в температурном диапазоне 295-90 К мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в выделенном ферритине печени человека и его фармацевтически важных аналогах-препаратах Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек.
3. Измерение при 295 К мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в ферритине бактерий А2О8рт11ит ЪгазИеже (штамм 8р245) и в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки человека и куриц в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови.
4. Измерение в температурном диапазоне 80-20 К мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в выделенном ферритине печени человека и его фармацевтически важных аналогах - препаратах Мальтофер® и Феррум Лек.
5. Измерение при 40 и 20 К мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки человека в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови.
6. Аппроксимация измеренных мессбауэровских спектров с использованием моделей гомогенного и гетерогенного «железного ядра» и получение оценок мессбауэровских параметров.
7. Анализ и интерпретация полученных мессбауэровских параметров во взаимосвязи со структурными особенностями наноразмерных «железных ядер» в исследуемых объектах.
Методология и методы
Основным методом диссертационного исследования является мессбауэровская спектроскопия с высоким скоростным разрешением. В качестве дополнительных методов использовались мессбауэровская спектроскопия с низким скоростным разрешением, сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, термогравиметрия, магнитометрия, электронный парамагнитный резонанс и гистохимический анализ. Методология и методы исследования подробно описаны в Главе 2.
Научная новизна
Выявлены структурные отличия «железных ядер» выделенного ферритина печени человека, ферритина бактерий Л2о Ъга811еп8е (штамм Sp245), фармацевтических препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек в результате оценки параметров сверхтонкой структуры ядер 57Ре мессбауэровских спектров этих объектов, измеренных с высоким скоростным разрешением с высоким скоростным разрешением.
Показано, что барьер энергии магнитной анизотропии наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина печени человека ниже, чем в его аналогах - препаратах Мальтофер® и Феррум Лек.
Впервые обнаружены аномальные температурные зависимости некоторых мессбауэровских параметров спектров макромолекул ферритина печени человека и его аналога - препарата Феррум Лек, которые могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».
Предложена новая модель гетерогенного «железного ядра» для аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина печени человека, ферритина бактерий Л^оригШит ЪгазИепзе (штамм Sp245), фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек, позволяющая связать выявленные компоненты спектров с соответствующими слоями/областями/нанодоменами «железных ядер» и оценить их структурные особенности.
Выявлены отличия в содержании ферритиноподобного железа, а также в долях более и менее плотно упакованных областей наноразмерных «железных ядер», характеризующихся соответственно меньшим или большим значением градиента электрического поля на ядрах 57Ре, в нескольких образцах тканей печени и селезенки здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови.
Защищаемые положения:
1. Величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах - препаратах Феррум Лек и Мальтофер®.
2. Температура Дебая для атомов железа, оцененная в модели гомогенного «железного ядра», составляет 461±16 К для ферритина печени человека и 502±24 К для его аналога - препарата Феррум Лек.
3. Аномальное поведение мессбауэровских параметров спектров наноразмерных «железных ядер» ферритина печени человека и его аналога - препарата Феррум Лек, обнаруженное в температурном диапазоне 295-90 К, может быть обусловлено низкотемпературными структурными перестройками.
4. Соотношение более плотно упакованных и менее плотно упакованных областей наноразмерных «железных ядер», характеризующихся соответственно меньшим и большим значением градиента электрического поля на ядрах 57Бе, различно в ферритине исследованных образцов тканей селезенки и печени здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови.
Научная и практическая значимость работы
Показаны преимущества применения прецизионного высокостабильного мессбауэровского спектрометрического комплекса с высоким скоростным разрешением для получения новой более детальной информации об особенностях структуры наноразмерных «железных ядер» в различных макромолекулах ферритина и его аналогов - препаратов Феррум Лек и Мальтофер®.
Разработан новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров различных ферритинов и их аналогов на основе гетерогенной модели «железного ядра», который может быть использован в дальнейших исследованиях методом мессбауэровской спектроскопии аналогичных объектов, а также других железосодержащих наночастиц в парамагнитном состоянии.
Полученные данные об особенностях структуры и подходы к исследованию наноразмерных «железных ядер» в аналогах макромолекул ферритина могут быть использованы для разработки и контроля новых, более эффективных фармацевтических препаратов для лечения железодефицитной анемии.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы в учебных курсах для бакалавров и магистров специальностей «Нанотехнологии» и «Биомедицинская инженерия».
Данная работа выполнена в рамках проекта РФФИ 09-02-00055-а «Диагностические тесты для молекулярных болезней на основе данных мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением» (2009¬2011 гг.), госбюджетных тем «Мессбауэровская спектроскопия с высоким скоростным разрешением микро- и наноразмерных железосодержащих структур в объектах живой и неживой природы» (2009-2011 гг.), «Сверхтонкие взаимодействия ядер 57Fe в микро- и наноразмерных железосодержащих объектах живой и неживой природы по данным мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением» (2012-2013 гг.), «Спектроскопия микро- и наноразмерных материалов и биообъектов» (2014-2016 гг.).
Достоверность полученных в работе результатов
Достоверность результатов обеспечена использованием современного аттестованного оборудования и соответствующих методов исследований, включая прецизионный высокостабильный мессбауэровский спектрометрический комплекс с высоким скоростным разрешением и малой инструментальной ошибкой по шкале скоростей, приходящейся на одну точку спектра, а также азотный криостат с движущимся поглотителем с ошибкой поддержания температуры менее ±1 К.
Личный вклад автора
Формулирование цели и задач исследования, выбор изучаемых объектов и методов исследования проведены автором совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. М.И. Оштрахом. Автором подготовлены различные образцы для исследований, проведено планирование и проведение экспериментов. Автором проведена аппроксимация измеренных мессбауэровских спектров, анализ и интерпретация результатов проведены совместно с научным руководителем. Обобщение результатов, формулирование выводов и защищаемых положений выполнены автором. В получении ряда результатов, их анализе и интерпретации помимо автора также участвовали E. Kuzmann, Z. Klencsar, S. Dubiel и I. Feiner.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: The XIII European Conference on Spectroscopy of Biological Molecules (Italy, Palermo, 2009), Colloquium Spectroscopicum Internationale (Hungary, Budapest, 2009; Brazil, Buzios, 2011; Portugal, Coimbra, 2015), International Conference on Molecular Spectroscopy (Poland, Krakow - Bialka Tatrzanska, 2009; Poland, Wroclaw - Kudowa Zdroj, 2011; Poland, Krakow - Bialka Tatrzanska, 2013), The 21st International Symposium on Pharmaceutical and Biomedical Analysis (USA, Orlando, 2009), European Congress on Molecular Spectroscopy (Italy, Florence, 2010; Romania, Cluj-Napoca, 2012; Germany, Düsseldorf, 2014), International Biometals Symposium (USA, Tucson, 2010; Belgium, Brussels, 2012), The 5th Central European Conference “Chemistry towards Biology”(Croatia, Primosten, 2010), The 7th Seeheim Workshop on Mössbauer Spectroscopy (Germany, Frankfurt, 2011), European Biophysics Congress (Hungary, Budapest, 2011, Germany, Dresden, 2015), The Joint Meeting of the International Conference on Hyperfine Interactions and the International Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (China, Beijing, 2012; Australia, Canberra, 2014), Международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» (Россия, Суздаль, 2012; Россия, Суздаль, 2014), The 3rd International Conference on Analytical Proteomics (Brazil, San Pedro, 2013), International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect (Croatia, Opatija, 2013), International Turkish Congress on Molecular Spectroscopy (Turkey, Istanbul, 2013; Turkey, Antalya, 2015), Mössbauer Spectroscopy in Materials Science (Czech Republic, Hlochovec u Bfeclavi, 2014; Slovakia, Liptovsky Jan, 2016), The 14th International Conference on Modern Trends in Activation Analysis and The 11th international Conference on Nuclear Analytical Methods in the Life Sciences (The Netherlands, Delft, 2015), 2nd Mediterranean Conference on the Applications of the Mössbauer Effect (Croatia, Cavtat, 2016).
Публикации
Основные результаты опубликованы в 50 работах, в том числе 17 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 31 тезис докладов на международных конференциях, 1 книжная глава в коллективной монографии по мессбауэровской спектроскопии, вышедшей в издательстве Wiley, 1 статья в межвузовском сборнике.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 272 наименований. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц, 111 рисунков.