МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» В МАКРОМОЛЕКУЛАХ ФЕРРИТИНА И ЕГО АНАЛОГОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ИХ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ 12
1.1 Структура и функции макромолекул ферритина и их фармацевтических аналогов 12
1.2 Мессбауэровская спектроскопия наноразмерных «железных ядер» макромолекул
ферритина и его аналогов 31
1.2.1 Суперпарамагнитная релаксация (поведение) и другие особенности
мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов 32
1.2.2 Параметры сверхтонкой структуры ядер 57Бе выделенных макромолекул
железодепонирующих белков 41
1.2.3 Параметры сверхтонкой структуры ядер 57Бе фармацевтических аналогов
ферритина 46
1.3 Особенности структуры и параметров мессбауэровских спектров макромолекул железодепонирующих белков в различных тканях в норме и при молекулярных
болезнях 53
1.3.1 Мессбауэровская спектроскопия тканей, содержащих железодепонирующие
белки 53
1.3.2 Параметры мессбауэровских спектров наноразмерных «железных ядер»
макромолекул ферритина в норме и при молекулярных болезнях 58
1.4 Постановка задачи исследования 68
Глава 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 71
2.1 Приготовление образцов 71
2.1.1 Выделенный ферритин печени человека 71
2.1.2 Фармацевтические аналоги ферритина 71
2.1.3 Ткани, содержащие железодепонирующие белки, в норме и при некоторых
патологиях 71
2.1.4 Бактерии, содержащие ферритин 72
2.2 Методы исследования образцов 73
2.2.1 Рентгеновский фазовый анализ 73
2.2.2 Сканирующая электронная и трансмиссионная микроскопия 73
2.2.3 Гистохимический анализ тканей 73
2.2.4 Термогравиметрия 74
2.2.5 Электронный парамагнитный резонанс 74
2.2.6 Измерение магнитных свойств 74
2.2.7 Мессбауэровская спектроскопия 75
2.3 Выводы 82
Глава 3 МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ
ЯДЕР» МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ИХ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ 83
3.1 ТЕМ, 8ЕМ, ХИЛ и термогравиметрия наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и его аналогов - фармацевтических препаратов Мальтофер®
и Феррум Лек 83
3.2 ЭПР и магнитометрия наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и
его аналогов - фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек 87
3.3 Особенности структуры наноразмерных «железных ядер» ферритина и его аналогов по данным мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением при
295 и 90 К 91
3.3.1 Аппроксимация мессбауэровских спектров на основе гомогенной модели
«железного ядра» 91
3.3.2 Аппроксимация мессбауэровских спектров на основе модели гетерогенного
«железного ядра» 95
3.4 Отличие в величине барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных
«железных ядер» ферритина и его аналогов 100
3.5 Выводы 106
Глава 4 АНОМАЛЬНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕССБАУЭРОВСКИХ СПЕКТРОВ МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ЕГО АНАЛОГОВ В ТЕМПЕРАТУРНОМ ДИАПАЗОНЕ 295-90 К И ОСОБЕННОСТИ ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРЫ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» 107
4.1 Мессбауэровские спектры ферритина и его аналогов в диапазоне температур
295-90 К 107
4.2 Оценка температуры Дебая для «железных ядер» выделенного ферритна печени
человека и препарата Феррум Лек 108
4.3 Аномальные температурные зависимости параметров мессбауэровских спектров
ферритина и его аналогов в диапазоне температур 295-90 К 110
4.3.1 Модель гомогенного «железного ядра» 110
4.3.2 Модель гетерогенного «железного ядра» 114
4.4 Применение нового подхода к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина в бактериях А. Ъга8Иеп8е (штамм 8р245) при 295 К в рамках модели гетерогенного
«железного ядра» 122
4.5 Выводы 124
Глава 5 МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТКАНЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ
ЖЕЛЕЗОДЕПОНИРУЮЩИЕ БЕЛКИ, В НОРМЕ И ПРИ НЕКОТОРЫХ
ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ СИСТЕМЫ КРОВИ 126
5.1 Параметры сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров тканей куриной
печени и селезенки в норме и при лимфоидном лейкозе 126
5.2 Особенности наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках тканей селезенки и печени здорового человека и больных злокачественными
заболеваниями системы крови 131
5.3 Выводы 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153
Глава 1 ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ИХ
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ 12
1.1 Структура и функции макромолекул ферритина и их фармацевтических аналогов 12
1.2 Мессбауэровская спектроскопия наноразмерных «железных ядер» макромолекул
ферритина и его аналогов 31
1.2.1 Суперпарамагнитная релаксация (поведение) и другие особенности
мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов 32
1.2.2 Параметры сверхтонкой структуры ядер 57Бе выделенных макромолекул
железодепонирующих белков 41
1.2.3 Параметры сверхтонкой структуры ядер 57Бе фармацевтических аналогов
ферритина 46
1.3 Особенности структуры и параметров мессбауэровских спектров макромолекул железодепонирующих белков в различных тканях в норме и при молекулярных
болезнях 53
1.3.1 Мессбауэровская спектроскопия тканей, содержащих железодепонирующие
белки 53
1.3.2 Параметры мессбауэровских спектров наноразмерных «железных ядер»
макромолекул ферритина в норме и при молекулярных болезнях 58
1.4 Постановка задачи исследования 68
Глава 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 71
2.1 Приготовление образцов 71
2.1.1 Выделенный ферритин печени человека 71
2.1.2 Фармацевтические аналоги ферритина 71
2.1.3 Ткани, содержащие железодепонирующие белки, в норме и при некоторых
патологиях 71
2.1.4 Бактерии, содержащие ферритин 72
2.2 Методы исследования образцов 73
2.2.1 Рентгеновский фазовый анализ 73
2.2.2 Сканирующая электронная и трансмиссионная микроскопия 73
2.2.3 Гистохимический анализ тканей 73
2.2.4 Термогравиметрия 74
2.2.5 Электронный парамагнитный резонанс 74
2.2.6 Измерение магнитных свойств 74
2.2.7 Мессбауэровская спектроскопия 75
2.3 Выводы 82
Глава 3 МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ
ЯДЕР» МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ИХ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ 83
3.1 ТЕМ, 8ЕМ, ХИЛ и термогравиметрия наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и его аналогов - фармацевтических препаратов Мальтофер®
и Феррум Лек 83
3.2 ЭПР и магнитометрия наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и
его аналогов - фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек 87
3.3 Особенности структуры наноразмерных «железных ядер» ферритина и его аналогов по данным мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением при
295 и 90 К 91
3.3.1 Аппроксимация мессбауэровских спектров на основе гомогенной модели
«железного ядра» 91
3.3.2 Аппроксимация мессбауэровских спектров на основе модели гетерогенного
«железного ядра» 95
3.4 Отличие в величине барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных
«железных ядер» ферритина и его аналогов 100
3.5 Выводы 106
Глава 4 АНОМАЛЬНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕССБАУЭРОВСКИХ СПЕКТРОВ МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРРИТИНА И ЕГО АНАЛОГОВ В ТЕМПЕРАТУРНОМ ДИАПАЗОНЕ 295-90 К И ОСОБЕННОСТИ ГЕТЕРОГЕННОЙ СТРУКТУРЫ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» 107
4.1 Мессбауэровские спектры ферритина и его аналогов в диапазоне температур
295-90 К 107
4.2 Оценка температуры Дебая для «железных ядер» выделенного ферритна печени
человека и препарата Феррум Лек 108
4.3 Аномальные температурные зависимости параметров мессбауэровских спектров
ферритина и его аналогов в диапазоне температур 295-90 К 110
4.3.1 Модель гомогенного «железного ядра» 110
4.3.2 Модель гетерогенного «железного ядра» 114
4.4 Применение нового подхода к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина в бактериях А. Ъга8Иеп8е (штамм 8р245) при 295 К в рамках модели гетерогенного
«железного ядра» 122
4.5 Выводы 124
Глава 5 МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТКАНЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ
ЖЕЛЕЗОДЕПОНИРУЮЩИЕ БЕЛКИ, В НОРМЕ И ПРИ НЕКОТОРЫХ
ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ СИСТЕМЫ КРОВИ 126
5.1 Параметры сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров тканей куриной
печени и селезенки в норме и при лимфоидном лейкозе 126
5.2 Особенности наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках тканей селезенки и печени здорового человека и больных злокачественными
заболеваниями системы крови 131
5.3 Выводы 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 153
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 Л^о^ри'Шит Ъга8Иеп8е (штамм 5р245) 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 мтеоды исследования подробно описаны в главе 2.
Научная новизна
Выявлены структурные отличия «железных ядер» выделенного ферритина печени человека, ферритина бактерий Л2О8рт11ит Ъга8Иеп8е (штамм 8р245), фармацевтических препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек в результате оценки параметров сверхтонкой структуры ядер 57Бе 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 Лгоь[)1гН1ит Ъга/1епе (штамм 8р245), 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 57Бе, 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 57Бе 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» (2014-2015 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 3rdInternational 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 (Hlochovec u Breclavi, 2014), 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).
Публикации
Основные результаты опубликованы в 45 работах, в том числе 14 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 29 тезисов 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.
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 Л^о^ри'Шит Ъга8Иеп8е (штамм 5р245) 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 мтеоды исследования подробно описаны в главе 2.
Научная новизна
Выявлены структурные отличия «железных ядер» выделенного ферритина печени человека, ферритина бактерий Л2О8рт11ит Ъга8Иеп8е (штамм 8р245), фармацевтических препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек в результате оценки параметров сверхтонкой структуры ядер 57Бе 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 Лгоь[)1гН1ит Ъга/1епе (штамм 8р245), 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 57Бе, 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 57Бе 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» (2014-2015 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 3rdInternational 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 (Hlochovec u Breclavi, 2014), 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).
Публикации
Основные результаты опубликованы в 45 работах, в том числе 14 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 29 тезисов 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.
Настоящая работа посвящена изучению особенностей наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его фармацевтически важных аналогах, а также в железодепонирующих белках тканей печени и селезенки в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением. Дополнительно исследуемые образцы были охарактеризованы методами TEM, SEM с EDS, ЭПР, рентгеновской дифракции, термогравиметрии, магнитных измерений. Применение прецизионного высоко стабильного мессбауэровского спектрометрического комплекса с высоким скоростным разрешением позволило измерять спектры с более высоким качеством и получать меньшие значения инструментальной ошибки при определении параметров сверхтонкой структуры ядер 57Fe, чем при измерении на обычных мессбауэровских спектрометрах. В результате проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы.
1. Обнаружены отличия параметров сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров ферритина печени человека, его фармацевтических аналогов - препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек, а также ферритина бактерий при 295 и 90 К, аппроксимированных в предположении гомогенной структуры «железного ядра».
2. Показано, что величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах - препаратах Феррум Лек и Мальтофер®, в то время как для самих аналогов величина барьера фактически одинаковая.
3. Температура Дебая для атомов железа, оцененная в рамках модели гомогенного «железного ядра», составляет 0D=461±16 К для ферритина печени человека и ©D=502±24 К для его аналога - препарата Феррум Лек.
4. Разработан новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов в рамках гетерогенной модели «железного ядра», предполагающий однородность структуры в пределах соответствующего слоя/области/нанодомена и позволяющий адекватно аппроксимировать мессбауэровские спектры ферритина печени человека и бактерий, а также препаратов Феррум Лек и Мальтофер® при различных температурах в диапазоне 295-90 К. Это позволило получить температурные зависимости мессбауэровских параметров для отдельных компонент спектров, которые были связанны с различными слоями/областями/нанодоменами «железных ядер».
5. В температурном диапазоне 295-90 К обнаружено аномальное изменение некоторых параметров мессбауэровских спектров наноразмерных «железных ядер» ферритина печени
человека и его аналога - препарата Феррум Лек, которые могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».
6. Обнаружены отличия в содержании ферритиноподобного железа в тканях печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови. Показано, что переливание крови могло повлиять на увеличение содержания железа в селезенке больного острым миелолейкозом, в то время как существенное возрастание содержания железа в селезенке больного первичным миелофиброзом обусловлено в основном молекулярной природой патологии. Переливание крови не оказало существенного влияния на увеличение содержания железа в печени больного острым миелолейкозом.
7. В рамках упрощенной модели гетерогенного «железного ядра» проведена аппроксимация мессбауэровских спектров образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови суперпозицией двух квадрупольных дублетов, которые по величине квадрупольного расщепления были соотнесены с более плотно упакованными и менее плотно упакованными областями наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках, характеризующихся соответственно меньшим или большим значением градиента электрического поля на ядрах 57Fe.
8. Выявлены небольшие отличия параметров сверхтонкой структуры ядер 57Fe и отличия в соотношении областей наноразмерных «железных ядер» с различной плотностью упаковки для образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови.
Дальнейшее развитие исследований по теме диссертационной работы будет связано с применением новой модели при аппроксимации мессбауэровских спектров различных «железных ядер» ферритинов и их аналогов, с изучением особенностей низкотемпературных структурных переходов в «железных ядрах», с исследованием новых аналогов ферритина, а также тканей селезенки и печени при злокачественных заболеваниях системы крови.
В заключение автор выражает благодарность проф., д.м.н. П.Г. Прокопенко, к.м.н. А.В. Виноградову, к.м.н. Т.С. Константиновой, к.х.н. А.Л. Берковскому, проф., д.х.н. А.А. Камневу, к.х.н. А.В. Тугаровой, к.б.н. Л.И. Малахеевой, Ю.В. Клеповой, проф., д.б.н. Н.В. Садовникову и Prof., Dr. S. Dubiel за содействие в получении образцов для исследования; к.ф.-м.н. В.А. Семёнкину, д.ф.-м.н. М.И. Оштраху, Е.Г. Новикову, М.В. Горюнову, к.ф.-м.н. М.В. Ушакову, к.ф.-м.н. М.Ю. Ларионову за помощь в проведении непрерывных долговременных измерений мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением; Prof., Dr.Sc. E. Kuzmann за помощь в проведении измерений мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением при температурах ниже 90 К; Prof., Dr. I. Feiner за помощь в проведении магнитных измерений; к.ф.-м.н. А.В. Чукину, Р.Ф. Самигуллиной, Prof., Dr. I. Feiner, Dr. P. Nemeth, Dr. Z. Klencsar, к.м.н. С.Е. Иощенко за содействие в проведении дополнительных исследований изучаемых образцов; Prof., Dr.Sc. E. Kuzmann, Dr. Z. Klencsar, Prof., Dr. I. Feiner, Dr. S. Dubiel за полезное участие в анализе и обсуждении полученных результатов.
1. Обнаружены отличия параметров сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров ферритина печени человека, его фармацевтических аналогов - препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек, а также ферритина бактерий при 295 и 90 К, аппроксимированных в предположении гомогенной структуры «железного ядра».
2. Показано, что величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах - препаратах Феррум Лек и Мальтофер®, в то время как для самих аналогов величина барьера фактически одинаковая.
3. Температура Дебая для атомов железа, оцененная в рамках модели гомогенного «железного ядра», составляет 0D=461±16 К для ферритина печени человека и ©D=502±24 К для его аналога - препарата Феррум Лек.
4. Разработан новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов в рамках гетерогенной модели «железного ядра», предполагающий однородность структуры в пределах соответствующего слоя/области/нанодомена и позволяющий адекватно аппроксимировать мессбауэровские спектры ферритина печени человека и бактерий, а также препаратов Феррум Лек и Мальтофер® при различных температурах в диапазоне 295-90 К. Это позволило получить температурные зависимости мессбауэровских параметров для отдельных компонент спектров, которые были связанны с различными слоями/областями/нанодоменами «железных ядер».
5. В температурном диапазоне 295-90 К обнаружено аномальное изменение некоторых параметров мессбауэровских спектров наноразмерных «железных ядер» ферритина печени
человека и его аналога - препарата Феррум Лек, которые могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».
6. Обнаружены отличия в содержании ферритиноподобного железа в тканях печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови. Показано, что переливание крови могло повлиять на увеличение содержания железа в селезенке больного острым миелолейкозом, в то время как существенное возрастание содержания железа в селезенке больного первичным миелофиброзом обусловлено в основном молекулярной природой патологии. Переливание крови не оказало существенного влияния на увеличение содержания железа в печени больного острым миелолейкозом.
7. В рамках упрощенной модели гетерогенного «железного ядра» проведена аппроксимация мессбауэровских спектров образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови суперпозицией двух квадрупольных дублетов, которые по величине квадрупольного расщепления были соотнесены с более плотно упакованными и менее плотно упакованными областями наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках, характеризующихся соответственно меньшим или большим значением градиента электрического поля на ядрах 57Fe.
8. Выявлены небольшие отличия параметров сверхтонкой структуры ядер 57Fe и отличия в соотношении областей наноразмерных «железных ядер» с различной плотностью упаковки для образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови.
Дальнейшее развитие исследований по теме диссертационной работы будет связано с применением новой модели при аппроксимации мессбауэровских спектров различных «железных ядер» ферритинов и их аналогов, с изучением особенностей низкотемпературных структурных переходов в «железных ядрах», с исследованием новых аналогов ферритина, а также тканей селезенки и печени при злокачественных заболеваниях системы крови.
В заключение автор выражает благодарность проф., д.м.н. П.Г. Прокопенко, к.м.н. А.В. Виноградову, к.м.н. Т.С. Константиновой, к.х.н. А.Л. Берковскому, проф., д.х.н. А.А. Камневу, к.х.н. А.В. Тугаровой, к.б.н. Л.И. Малахеевой, Ю.В. Клеповой, проф., д.б.н. Н.В. Садовникову и Prof., Dr. S. Dubiel за содействие в получении образцов для исследования; к.ф.-м.н. В.А. Семёнкину, д.ф.-м.н. М.И. Оштраху, Е.Г. Новикову, М.В. Горюнову, к.ф.-м.н. М.В. Ушакову, к.ф.-м.н. М.Ю. Ларионову за помощь в проведении непрерывных долговременных измерений мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением; Prof., Dr.Sc. E. Kuzmann за помощь в проведении измерений мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением при температурах ниже 90 К; Prof., Dr. I. Feiner за помощь в проведении магнитных измерений; к.ф.-м.н. А.В. Чукину, Р.Ф. Самигуллиной, Prof., Dr. I. Feiner, Dr. P. Nemeth, Dr. Z. Klencsar, к.м.н. С.Е. Иощенко за содействие в проведении дополнительных исследований изучаемых образцов; Prof., Dr.Sc. E. Kuzmann, Dr. Z. Klencsar, Prof., Dr. I. Feiner, Dr. S. Dubiel за полезное участие в анализе и обсуждении полученных результатов.



