Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения первого этапа проекта получены новые данные о природных лигнинах различного таксономического происхождения на различных иерархических уровнях структуры – молекулярном, топологическом и морфологическом. Объектами исследования являлись лигнины ряда древесных и травянистых растений. Установлен композиционный состав лигнинов, а именно количественные соотношения структурных единиц гваяцильного, сирингильного и п-кумарового типа. Для ряда лигнинов установлены основные микроструктурные элементы: кумарановые, пинорезинольные, алкил-арил-эфирные, арил-арильные и бензодиоксоциновые структуры. В результате проведенных исследований был изучен элементный и функциональный состав лигнинов. Установлено, что макромолекулы лигнинов разного ботанического происхождения содержат различные количества гидроксильных, метоксильных и карбоксильных функциональных групп. В макромолекулах лигнинов обнаружены также С=О-группы в составе сложноэфирных группировок, альдегидов и кетонов. Установлено, что наибольшее количество активных функциональных групп содержат лигнины, выделенные из стеблей овса и багульника. В рамках изучения макромолекулярной структуры лигнинных биополимеров получены новые экспериментальные данные о транспортных свойствах природных лигнинов, выделенных из злаковых растений – соломы пшеницы Triticum sp. и овса Avena sativa, а также лиственной древесины (Sorbus aucuparia) и хвойной древесины (Pinus silvestris). Проведены систематические исследования конформационного состояния макромолекул различных лигнинов в разбавленных растворах (растворитель – диметилформамид), и установлена взаимосвязь гидродинамика – конформация – топология. Определены молекулярные массы и ключевые гидродинамические параметры исследуемых лигнинов. Показана выполнимость принципа масштабной инвариантности (скейлинга) макромолекул, что указывает на топологическую однородность исследованных лигнинов. Значения скейлинговых индексов Марка-Куна-Хаувинка, фрактальных размерностей и гидродинамических инвариантов Цветкова-Кленина, совпадающие с величинами для линейных полимеров, позволяют утверждать, что в основе топологической структуры исследуемых лигнинов злаковых растений лежит линейная конфигурация. Проведены исследования сорбционной способности лигнинов различного ботанического происхождения в отношении радионуклидов. Исследования показали эффективное поглощение радионуклидов урана и тория некоторыми из исследуемых препаратов. Высокую полноту извлечения тория (свыше 90%) продемонстрировали лигнины серпухи и овса. Высокий уровень адсорбции урана (86-89%) был зафиксирован для лигнина овса. Таким образом, была получена важная информация о процессах сорбции-десорбции радионуклидов in vitro в различных условиях среды, что позволяет прогнозировать сорбционные процессы в условиях желудочно-кишечного тракта млекопитающих. Одним из важных этапов исследований являлось установление тех видов растений, которые синтезируют лигнины с максимально высокой антиоксидантной активностью. Анализ полученных данных показал, что наиболее высокой антиоксидантной активностью обладает препарат лигнина родиолы розовой. Установлено, что величина антиоксидантной активности препаратов лигнина овса и багульника сопоставима с величиной активности таких соединений, как кверцетин, рутин и митофен, которые используются в медицинской практике как антиоксиданты. На основании анализа особенностей химической структуры различных образцов, количества реакционноспособных функциональных групп и свободных радикалов были отобраны наиболее перспективные образцы, а именно, лигнины овса и багульника, которые и были использованы в качестве опытных образцов для проведения дальнейших биомедицинских испытаний на живых организмах. Проведена серия экспериментов на мелких млекопитающих (мыши) для выявления токсических особенностей, биологической эффективности и радиопротекторных свойств лигнинного препарата на основе овса с помощью интегральных показателей, отражающих как состояние организма животных в целом, так и отдельных его систем (масса тела, индексы внутренних органов, изменения в органах эндокринной, кровеносной и репродуктивной систем). Использован широкий комплекс апробированных методов (молекулярные, цитогенетические, морфологические, биохимические и физиологические). Впервые установлено, что хроническое пероральное введение лабораторным животным (мыши линии СВА) лигнинного препарата в течение 4 и 8 месяцев (кумулятивные дозы 900 и 2000 мг/кг массы тела животного) не оказывало токсического, в том числе и генотоксического действия. Изучение отдаленных эффектов после длительного действия тестируемого препарата (кумулятивная доза 300 мг/кг массы тела животного) с помощью молекулярно-клеточного анализа (ДНК-кометный и микроядерный тесты) также не показало его негативного воздействия на половые клетки самцов. А в клетках костного мозга у этих животных отмечены изменения, направленные на активизацию репарационных процессов. Для оценки потенциальных мутагенных свойств лигнина применен метод доминантных летальных мутаций. Полученные результаты позволили установить снижение внутриутробных потерь (до- и постимплантационной смертности), что сопровождалось увеличением фактической плодовитости (число эмбрионов) у опытных самок после скрещивания с самцами, употреблявшими лигнин в течение 45 суток (время воздействия лигнина от сперматогоний до зрелых сперматозоидов). Впервые получены данные о стимулирующем влиянии лигнина при хроническом режиме его воздействия на репродуктивную систему самок. Эффект выражался в изменении соотношении фаз эстрального цикла (удлинение фазы эструса и укорочение фазы покоя), что может увеличивать вероятность наступления беременности. Поведенческие тесты также позволили установить эффективность хронического действия лигнина на мышей. В остром эксперименте при введении лигнина в дозах 5, 50, 100 и 250 мг/кг массы тела животных не обнаружено генотоксического действия препарата на органы с высокой пролиферативной активностью (костный мозг и семенник), но в щитовидной железе (орган с низкой пролиферативной активностью) максимальная из используемых доз индуцировала двунитевые разрывы ДНК. Изучение клеточного состава форменных элементов крови и содержания малонового диальдегида в эритроцитах мышей свидетельствуют о стабильном состоянии периферической крови после действия всех доз тестируемого препарата. К числу важнейших следует отнести результаты радиобиологического эксперимента, проведенные на мышах с использованием острого гамма-облучения. Полученные данные свидетельствуют о проявлении противолучевых свойств лигнина на цитогенетические показатели костного мозга и щитовидной железы как при профилактическом, так и при терапевтическом режиме введения. Радиозащитные свойства лигнина подтверждают экспериментальные данные, полученные нами при анализе периферической крови. Зафиксирована нормализация концентрации гемоглобина при терапевтическом приеме тестируемого препарата и размеров эритроцитов при обоих режимах введения. Таким образом, полученные при выполнении проекта результаты на мелких млекопитающих позволили выявить безопасность и биологическую эффективность природного лигнина. Впервые обнаруженные противолучевые свойства исследуемого лигнина могут иметь важное значение для его применения в качестве средства сопроводительной химио- и лучевой терапии злокачественных новообразований. Кроме того, лигнинные препараты также быть использованы для смягчения поражающего действия ионизирующего излучения при радиационных авариях и в профессиональной деятельности сотрудников, работающих в условиях повышенного радиационного фона.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования структурно-химического разнообразия природных лигнинов различного ботанического происхождения, выполненные в отчетном периоде работ, позволили расширить представления о макро- и микроструктуре лигнина – одного из самых распространенных биополимеров в природе. Информация о строении монолигнолов и межмономерных связях, полученная с помощью методов двумерной ЯМР-13С-спектроскопии, пиролитической хромато-масс-спектрометрии, ЭПР-спектроскопии, ИК-Фурье–спектроскопии, свидетельствует об уникальной и неповторимой структуре каждого из исследованных лигнинов. Это указывает на мощный биомедицинский потенциал этого класса биополимеров, требующий проведения дальнейших экспериментов, в том числе с использованием животных. Перспективность природных лигнинов как биоактивных соединений подтверждается данными о том, что препараты лигнинов обладают высокой антиоксидантной активностью и парамагнитными свойствами, обусловленными наличием стабильных радикалов феноксильного типа. Значительный интерес представляют наши научные данные о топологическом уровне структурной организации, в том числе информация о конфигурации и конформации макромолекул, полученная классическими методами полимерной физикохимии: скоростной седиментации, поступательной диффузии и вискозиметрии. Установлено, что лигнины ксилемы ели Picea abies и лиственницы Larix sibirica представляют собой хаотически разветвленные полимеры с различным числом ветвей. Лигнины березы Betula verrucosa и акации Robínia pseudoacácia относятся к классу регулярно разветвленных полимеров звездообразного типа, причем центром звезды является структура дибензодиоксоцина. Топология макромолекул лигнинов однолетних злаковых растений ржи, овса, пшеницы, ячменя отвечает универсальному классу линейных полимеров. Многолетнее злаковое растение бамбук Bambusa вырабатывает лигнин с хаотически разветвленной топологической структурой. Проведены исследования сорбционной способности наноуглеродных материалов, полученных из лигнинов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в отношении тяжелого долгоживущего радионуклида Ra-226. Исследования показали возможность практически полной очистки (до 99,9%) водных сред от данного радионуклида даже при ультранизких начальных концентрациях Ra-226. Исследованы процессы сорбции-десорбции образцов лигнина в отношении микотоксина Т-2 и афлатоксина В1. Изучены закономерности сорбционных процессов в условиях, моделирующих in vitro желудочно-кишечный тракт млекопитающих, и сделан вывод о том, что ключевую роль в процессе сорбции микотоксинов играют механизмы хемосорбции, включая ионный обмен, комплексообразование и образование водородных связей. На основании анализа особенностей структурной организации лигнинов происходит накопление базы данных по наиболее перспективным образцам, которые в дальнейшем могут быть использованы при проведении биомедицинских испытаний на животных. Впервые установлено, что препарат лигнина, полученный из стеблей овса Avena zativa, обладает цитотоксической активностью в отношении опухолевых клеток линии HeLa, A549 и HT-29, что обусловлено его способностью вызывать повышение уровня активных форм кислорода в опухолевых клетках, отмеченное в концентрациях 125 и 150 мкг/мл. Для выявления радиопротекторных свойств лигнинного препарата, полученного из стеблей овса, проведена серия экспериментов на мелких млекопитающих с помощью интегральных показателей, отражающих как состояние организма животных в целом, так и отдельных его систем (индексы внутренних органов, изменения в органах эндокринной, кровеносной и репродуктивной систем), с привлечением широкого комплекса апробированных методов (молекулярные, цитогенетические, морфологические, биохимические). Для изучения радиопротекторных свойств лигнина использовались мыши линии СВА из УНУ «Научная коллекция экспериментальных животных» ФГБНУ ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (http://www.ckp-rf.ru/usu/471933/) и уникальное оборудование – установки для хронического облучения биологических объектов («Фотон») и для острого гамма-облучения («Исследователь»). Результаты радиобиологического эксперимента с острым гамма-облучением в дозе 4 Гр (источник 137Cs, мощность дозы 0,75 мГр/мин) показали, что препарат лигнина оказывал противолучевое действие при терапевтическом режиме введения на костный мозг, щитовидную железу и некоторые показатели периферической крови, тогда как для мужских половых клеток противолучевой эффект в большей степени проявлялся при профилактическом введения исследуемого препарата. Впервые исследованы противолучевые свойства лигнина в эксперименте с хроническим гамма-облучением животных в малых дозах (30 и 50 сГр). Обнаружено положительное влиянии препарата лигнина на индексы селезенки и надпочечника, а также на некоторых показателей периферической крови мышей при хроническом облучении животных. Противолучевое действие лигнина установлено при изучении цитогенетического состояния органов с различной пролиферативной активностью, причем эффект был более выражен при совместном действии лигнина и гамма-облучения в дозе 50 сГр. Таким образом, полученные при выполнении проекта результаты на мелких млекопитающих, убедительно свидетельствуют о том, что препарат лигнина, выделенный из стеблей овса Avena sativa, модифицирует радиационные эффекты, вызываемые у животных как при остром, так и при хроническом действии ионизирующего излучения, и о перспективности его использования в качестве противолучевого препарата. Выявление радиопротекторных свойств препаратов на основе лигнина необходимо для последующего 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.