Структурная организация и биомедицинский потенциал природных лигнинов и их биосинтетических аналогов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00196

НазваниеСтруктурная организация и биомедицинский потенциал природных лигнинов и их биосинтетических аналогов

Руководитель Кочева Людмила Сергеевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук" , Республика Коми

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова лигнин, биосинтетические аналоги лигнина, структура и свойства биополимеров, антиоксиданты, геропротекторы, радиопротекторы, радионуклиды, биологическая активность лигнинов, модельные животные (мыши), хроническое радиационное облучение

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект находится в русле современных тенденций по освоению природоподобных технологий и посвящен поиску новых путей использования лигнинов для биомедицинского применения. Лигнины – уникальные биополимеры растительного происхождения, химическая структура которых изменчива и в значительной степени зависит от биологического вида растения. Основная цель проекта – изучение структурной организации природных и биосинтетических лигнинов и выявление механизмов их биологического действия на живые организмы для оценки биомедицинского потенциала и обоснования возможности их применения в качестве инновационных препаратов радиопротекторного, геропротекторного и антиоксидантного действия. Для достижения этой цели планируется два блока научно-исследовательских работ. Первый включает исследование лигнинов на различных иерархических уровнях структуры, а также синтез и исследование биосинтетических аналогов лигнина. Во второй блок входит изучение in vivo механизма биологического действия лигнинных препаратов на модельные объекты (мыши), подвергаемые воздействию тяжелых естественных радионуклидов и гамма-облучению, что позволит установить взаимосвязи «структура макромолекул – биологические эффекты». Полученные результаты позволят выявить наиболее перспективные пути решения задач по сохранению здоровья и улучшения качества жизни людей, находящихся в условиях хронического радиационного облучения, например, на орбитальных станциях, или проживающих на радиоактивно загрязненных территориях. При исследовании лигнинов планируется решение нескольких задач, направленных на характеристику химической, топологической и морфологической структуры лигнинов различного ботанического происхождения с помощью современных методов исследования. Характеристика химической структуры включает количественную оценку ключевых монолигнолов (G-, S-, H- и С-типа), основных типов межмономерных связей (С-С', С-О-С' и др.), структурных фрагментов (пинорезинольные, п-кумаровые, арил-алкил-эфирные) и реакционноспособных функциональных групп. При характеристике топологической структуры макромолекул предполагается определение конфигурации, конформации, гидродинамических размеров, молекулярной массы и термодинамической гибкости полимерных цепей. Исследование морфологической структуры лигнина растительных клеток связано с задачей реконструкции динамики лигнификации клеточных оболочек методами нелинейной динамики и синергетики для установления критериев пространственно-временного порядка, возникающего при биосинтезе этого полимера на уровне клеток. Проектом предусматривается синтез in vitro и структурно-химическая характеристика биосинтетических аналогов лигнинов – дегидрополимеров в системе пероксидаза-пероксид водорода-монолигнолы. В экспериментах in vivo будут исследованы радиопротекторные и геропротекторные свойства ряда природных лигнинов и дегидрополимеров на примере модельных объектов (мыши), подвергаемых однократному и хроническому гамма-облучению и воздействию тяжелых радионуклидов. Новизна ожидаемых результатов состоит в комплексном подходе к изучению биологического действия лигнинов и возможности выявления наиболее информативных показателей при установлении взаимосвязи «структура макромолекул – интенсивность воздействия физических факторов на живые объекты – биологические эффекты». В результате выполнения проекта будет проведена комплексная оценка биологической эффективности новых полифункциональных препаратов на основе природных лигнинов и их биосинтетических аналогов на основных уровнях структурной организации модельных животных (от молекулярного до организменного) и обобщены сведения о наблюдаемых эффектах с учетом индивидуальной чувствительности исследуемых органов и тканей (эндокринной, кровеносной и репродуктивной систем). Будут проведены исследования антиоксидантной активности и адсорбционной способности лигнинов в отношении тяжелых естественных радионуклидов урана-238, радия-226 и тория-232. Оценка радиопротекторных и геропротекторных свойств с учетом режима введения тестируемого препаратов позволит оценить возможность их применения в качестве инновационных средств профилактической, восстановительной и эфферентной терапии. Теоретическая часть проекта посвящена численному моделированию процесса биосинтеза лигнина как совокупности ферментативных и химических реакций, протекающих в открытой системе, результаты которого позволят дать обоснование наблюдаемого феномена изменчивости, поливариантности структуры и, соответственно, различной биологической активности природных лигнинов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Карманов А.П., Демин В.А., Кочева Л.С. Лигнин сосны: топологическая структура макромолекул и термодинамические свойства растворов Бутлеровские сообщения, № 6, Т. 70. С. 71-80, номер свидетельства о регистрации журнала - ПИ № ФС77-37130 (год публикации - 2022)
10.37952/ROI-jbc-01/22-70-6-71

2. Карманов А.П., Кочева Л.С., Рачкова Н.Г., Раскоша О.В. Исследование природных лигнинов различного таксономического происхождения Бутлеровские сообщения, № 7, Т. 71. С. 123-130, номер свидетельства о регистрации журнала - ПИ № ФС 77-37130, 04.10.2021 (год публикации - 2022)
10.37952/ROI-jbc-01/22-71-7-123

3. Карманов А.П., Возняковский А.П., Кочева Л.С., Рачкова Н.Г., Богданович Н.И. Sorption properties of carbonized biopolymers of plant origin Carbon Resources Conversion, Том 6, выпуск 1, С. 34-42, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ (год публикации - 2023)
10.1016/j.crcon.2022.10.004

4. Карманов А.П., Шапошникова Л.М., Кочева Л.С., Рачкова Н.Г., Белый В.А., Лютоев В.П. Structural features of stress lignin of aspen (Populus tremula L.) growing under increased background radiation Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, Biocatalysis and Agricultural Biotechnology 50 (2023) 102677, https://doi.org/10.1016/j.bcab.2023.102677. 1878-8181/. © 2023 Published by Elsevier Ltd. (год публикации - 2023)
10.1016/j.bcab.2023.102677

5. Карманов А.П., Кочева Л.С., Рачкова Н.Г., Раскоша О.В. Lignins of various taxonomical origins: structural features, adsorption and antioxidant properties Iranian Polymer Journal, 32, 1377–1391 (2023). https://doi.org/10.1007/s13726-023-01210-8 (год публикации - 2023)
10.1007/s13726-023-01210-8

6. Карманов А.П., Кочева Л.С., Раскоша О.В., Москалев А.А. Investigation of the structure and properties of lignins of some agricultural plants Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, Vol. 53. P. 102848. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2023.102848. 1878-8181/© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved. (год публикации - 2023)
10.1016/j.bcab.2023.102848

7. Раскоша О.В., Ермакова А.В., Башлыкова Л.А., Старобор Н.Н., Боднарь И.С., Карманов А.П., Кочева Л.С. Lignin preparation as a potential anti-radiation agent Biophysical Reviews, S7.478. P. 262-263. https://doi.org/10.1007/s12551-023-01150-w. © International Union for Pure and Applied Biophysics (IUPAB) and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s12551-023-01150-w

8. Карманов А.П., Деркачева О.Ю., Кочева Л.С., Канарский А.В., Семенов Э.И., Демин В.А., Богданович Н.И. Сорбционные свойства и химическая структура лигнинов некоторых древесных и травянистых растений J. Sib. Fed. Univ. Chem., 16(4). С. 595–607. EDN: TVOEDF. © Siberian Federal University. All rights reserved (год публикации - 2023)

9. Карманов А.П., Ермакова А.В., Раскоша О.В., Башлыкова Л.А., Рачкова Н.Г., Кочева Л.С. СТРУКТУРА И БИОМЕДИЦИНСКИЕ СВОЙСТВА ЛИГНИНОВ (ОБЗОР) Химия растительного сырья (Russian Journal of Biorganic Chem.) (год публикации - 2023)

10. Карманов А., Кочева Л., Белый В., Канарский А., Семенов Э., Богданович Н., Покрышкин С. Structural features and antioxidant behavior of lignin polymers isolated from various woody plants Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, Vol. 54, P. 102969. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2023.102969 (год публикации - 2023)
10.1016/j.bcab.2023.102969

11. Раскоша О.В., Карманов А.П., Ермакова А.В., Башлыкова Л.А., Пылина Я.С., Старобор Н.Н., Боднарь И.С., Расова Е.Е., Кочева Л.С. Evaluation of safety and biomedical potential of water-soluble oat lignin Avena sativa L. International Journal of Biological Macromolecules, 283. 137609. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137609 Print ISSN: 0141-8130 Online ISSN: 1879-0003 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137609

12. Боднарь И.С., Раскоша О.В., Карманов А.П., Кочева Л.С. Исследование радиопротекторных свойств лигнина в условиях воздействия острого гамма-излучения на ряску малую Lemna minor L. Химия растительного сырья, № 2. С. 99–108. DOI: 10.14258/jcprm.20240212979. ISSN 1029-5151 Print, ISSN 1029-5143 Online (год публикации - 2024)
10.14258/jcprm.20240212979

13. Кочева Л.С., Возняковский А.П., Карманов А.П., Рачкова Н.Г., Богданович Н.И., Демин В.А. Characteristics and adsorption properties of carbon nanomaterials, obtained by self-propagating high-temperature synthesis J. Sib. Fed. Univ. Chem. (Журнал Сибирского федерального университета. Серия: химия), 17(3), 457–468. EDN: NGBHAY ISSN 998-2836 (Print) ISSN 2313-6049 (Online) (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
При выполнении 3-го этапа проекта был выделен ряд лигнинов Пеппера из древесных, лиственных и травянистых растений, которые изучались двумерной ЯМР-13С-, ЭПР- и ИК-Фурье–спектроскопией, пиролитической хромато-масс-спектрометрией и др. В итоге установлены количественные соотношения основных мономерных структурных элементов гваяцильного, сирингильного и п-кумарового типа, а также количественное распределение различных субструктур – дилигнолов. Показано, что основными типами димерных микроструктур являются алкил-арил-эфирные, кумарановые, пинорезинольные, арил-арильные и бензодиоксоциновые структуры, которые соединяются между собой различными типами межмономерных связей. Исследования подтвердили наши представления о том, что уникальной особенностью природных лигнинов является вариабельность и множественность микроструктурных единиц, из которых состоят макромолекулы природных лигнинов, причем степень хаотичности и параметры упорядоченности на различных уровнях структурной организации предопределяются ботаническим происхождением и природой мономерных предшественников. Поливариантность структуры лигнинов связана и с присутствием множества различных функциональных групп, в том числе карбоксильных, гидроксильных алифатических и фенольных с различной величиной рК, карбонильных и альдегидных групп. Ввсе без исключения образцы лигнинов обладали уникальной неповторимой химической структурой, что указывает на значительный биомедицинский потенциал этих биополимеров, требующий продолжения эксперимента, в том числе с использованием растительных и животных организмов. Перспективность природных лигнинов как биоактивных соединений подтверждается тем, что лигнины обладают высокой антиоксидантной активностью и парамагнитными свойствами, обусловленными наличием стабильных радикалов феноксильного типа. На основании анализа особенностей структурной организации лигнинов происходит накопление базы данных по наиболее перспективным образцам, которые могут быть использованы при проведении биомедицинских испытаний. Оценка противоопухолевой и антиоксидантной активности лигнинов проведена на примере ряда образцов лигнинов из травянистых растений (Rhodiola rosea, Avena sativa, Ledum, Harlecum), а также биосинтетическом дегидрополимере, синтезированном в системе конифериловый спирт-пероксид водорода-пероксидаза. Эксперименты выполнены на раковых клетках различных линий и нормальных фибробластах легкого эмбриона человека. Установлено, что препараты лигнина в концентрации 100 мкг/мл вызывают значительное снижение выживаемости раковых клеток, что однозначно указывают на их высокую цитототоксическую активность. Изучение антиоксидантных свойств лигнинов осуществляли в экспериментах на клетках линии HeLa. Результаты показывают, что при обработке клеток HeLa лигнином наблюдалось статистически значимое снижение генерации активных форм кислорода по сравнению с положительным контролем. Таким образом, подтверждено наличие противоопухолевой и антиоксидантной активности лигнинов, что свидетельствует о потенциальной возможности их использования в качестве химиотерапевтических препаратов с цитотоксическим механизмом лечения онкологических заболеваний. Изучены радиопротекторные свойства лигнина при однократном остром гамма-облучении мышей в дозах 4 и 6 Гр. Лигнин, введенный до облучения (профилактический режим) или после облучения (терапевтический режим), обеспечивал нормализацию количества тромбоцитов (PLT). При профилактическом введении лигнин положительно влиял на содержание гемоглобина в эритроцитах (MCH), а при терапевтическом варианте улучшился показатель RBC, отражающий количество эритроцитов в кровяном русле. С увеличение дозы до 6 Гр на проявление противолучевых свойств лигнина указывает снижение концентрации малонового диальдегида а также значения показателя MCHС, отражающего среднюю концентрацию гемоглобина в эритроците. Установлено, что употребление животными лигнина перед облучением, как в ранний, так и в отдаленный период, способствовало стимуляции защитной ответной реакции клеток костного мозга. О противолучевом действии лигнина свидетельствуют как снижение доли клеток с однонитевыми и двунитевыми разрывами ДНК, так и снижение митотического индекса. Результаты микроядерного теста также говорят о защитном эффекте лигнина при его применении как до, так и после воздействия ионизирующей радиации. Наряду с выявленными молекулярными и цитогенетическими эффектами обнаружено, что профилактическое действие лигнина на животных статистически значимо снижало (более, чем в 2 раза) уровень АФК в клетках костного мозга. С помощью метода ДНК-комет при изучении двунитевых разрывов ДНК установлен радиозащитный эффект как при профилактическом употреблении животными лигнина при их облучении в максимальной дозе, так и при терапевтическом режиме (4 и 6 Гр). В рамках актуальной задачи поиска новых соединений, обладающими защитными свойствами при действии малых доз радиации при длительном режиме воздействия, нами изучены противолучевые свойства лигнина из стеблей овса в эксперименте с хроническим гамма-облучением мышей линии СВА в малых дозах с помощью молекулярно-клеточного анализа органов и тканей, обладающих различной пролиферативной активностью, и определен клеточный состав периферической крови мышей. Результаты показали, что препарат лигнина модифицирует радиационные эффекты, вызываемые у животных при хроническом действии низкоинтенсивного ионизирующего излучения. Выявление противолучевых и радиопротекторных свойств препаратов на основе лигнина необходимо для применения их в качестве средств сопроводительной химио- и лучевой терапии злокачественных новообразований, а также для смягчения поражающего действия ионизирующего излучения при радиационных авариях и в профессиональной деятельности сотрудников, работающих в условиях повышенного радиационного фона. Для получения новой информации по тематике проекта использовано научное оборудование, в том числе дорогостоящее (Микроскоп исследовательский люминесцентный многоканальный БИОЛАМ-Л, Россия), приобретенное за счет средств выполняемого гранта.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные за период выполнения проекта РНФ новые научные результаты однозначно свидетельствуют о высоком инновационном потенциале природных лигнинов и их биосинтетических аналогов. Согласно достигнутым результатам, перспективными направлениями следует считать разработку сорбентов и энтеросорбентов микотоксинов (микотоксин Т-2, афлатоксины, охратоксин и др.) и микроколличеств тяжелых радионуклидов из жидких сред (урана-238, тория-232 и радия-226) в эфферентной терапии, антиоксидантов, геропротекторов (требуется продолжение исследований), химиотерапевтических препаратов с цитотоксическим механизмом лечения онкологических заболеваний, радиопротекторных средств сопроводительной химио- и лучевой терапии злокачественных новообразований, а также для смягчения поражающего действия ионизирующего излучения при радиационных авариях и в профессиональной деятельности сотрудников, работающих в условиях повышенного радиационного фона. В перспективе просматриваются реальные предпосылки к созданию новой или усовершенствование производимой продукции лечебно-профилактического назначения, что отвечает современной актуальной социально-экономической задаче сохранения здоровья и повышения качества жизни населения России.