EXPERIMENTAL PHARMACOKINETIC STUDY OF ZINC WHEN ZINC HYDROXIDE NANOFORM IS ADMINISTERED ENTERALY AND INTRAVASCULARY

Cover Page

Abstract


In vivo experiments on rabbits studied pharmacokinetic properties of Zn2+ under administration of zinc hydroxide nanoparticles (2-3 nm) that were obtained by sol-gel me-thod. Soluble zinc sulfate was selected as a comparison compound. Measurement of plasma Zn2+ levels was carried out by atomic absorption spectrometry with preliminary sample preparation method by wet ashing. Pharmacokinetic parameters were calculated after sin-gle enteral administration (doses – 10, 50 and 100 mg/kg) and single intravenous injection (doses – 10, 50 and 100 mg/kg). Absolute bioavailability for nanoparticles was found to have high values – 33,01±3,55%, 45,15±3,68% and 43,18±2,71% for 10, 50 and 100 mg/kg enteral administration respectively.


Среди большинства эссенциальных микроэлементов, наиболее важную роль в регуляции гомеостаза организма человека играет цинк [1]. Значительное влияние объясняется структурной и каталитической ролью более чем 3000 цинкзависимых энзимов. Мировой уровень смертности, сопряженной с микроэлементозами составляет 6% [2], а количество людей, страдающих от гипоцинкозов составляет более 1,1 млрд [3]. Клинические проявления недостатка Zn отражаются в комплексном нарушении работы иммунной, нервной и пищеварительной систем.

Важным шагом является коррекция недостаточного уровня цинка в организме, которая проводится, в основном, с использованием сульфата и оксида цинка, включенных в поливитаминные и минеральные комплексы [4]. Биологическая доступность таких препаратов невысока, поэтому актуальной задачей является поиск новых источников цинка, обладающих повышенными параметрами биодоступности.

С развитием технологий диспергирования растет интерес к изучению биологического отклика измельченных до наноразмеров (10-9 м) соединений. Результаты фармакокинетических и биофармацевтических исследований, проведенных для наноразмерных препаратов оксида цинка, свидетельствуют о более высоких параметрах биодоступности наночастиц по сравнению с сульфатом цинка [5-7].

Нами был получен наноразмерный препарат – гидроксид цинка, который обладает повышенными параметрами биологической активности в предварительных экспериментах на тест-культуре хлебопекарных дрожжей [8], а также при энтеральном введении крысам [9]. Исследование взаимодействия между организмом и новым лекарственным средством, фармакокинетики, а также установление связей между дозами и эффектом, является важной задачей современной фармакологии.

Цель исследования

Изучение фармакокинетических свойств наночастиц гидроксида цинка у кроликов после их однократного энтерального и внутривенного введения и определение абсолютной биодоступности.

Материалы и методы

Наночастицы гидроксида цинка получали золь-гель методом, путем реакции между ацетатом цинка (ХЧ) и гидроксидом лития при пониженной температуре в среде абсолютного этанола (масс. доля 99,95%) [10]. Полученный после центрифугирования гелеобразный гидроксид цинка исследовали методом малоуглового рентгеновского рассеяния для анализа распределения по размерам на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-800HS (Shimadzu, Япония) с использованием позиционно чувствительного детектора. Было определено, что частицы обладают размером 2-3 нм [10].

Эксперименты выполнены на 96 кроликах-самцах Шиншилла массой 4200 - 4430 г, на базе НИИ Экспериментальной медицины при ФБГОУ ВО Курский государственный медицинский университет. Животные содержались в пластиковых клетках, при контролируемых условиях микроклимата (t=22-24oC, влажность 50- 70%), был организован искусственный 12- часовой световой день. Перед началом манипуляций кролики были подвергнуты акклиматизации в течение 10 суток. За 12 часов до начала эксперимента животных лишали пищи, предоставляя доступ к питьевой, профильтрованной воде в количестве ad libitum.

Фармакокинетику наночастиц гидроксида цинка изучали после введения соединения энтерально и внутривенно в дозах 10, 50 и 100 мг/кг в пересчете на цинк. В качестве соединения-сравнения был избран сульфат цинка, фармакокинетические свойства которого, были исследованы в тех же условиях. Внутривенное введение исследуемых препаратов производилось в форме суспензии в изотоническом растворе хлорида натрия. Внутрижелудочное введение наночастиц гидроксида цинка производилось в форме суспензии в деионизированной воде через зонд. Исследование было проведено в соответствии с требованиями главы 57 Руководства по проведению доклинических исследований лекарственных средств [11].

Забор крови проводили в дискретные промежутки времени: для энтерального введения – 0; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 12; 16; 24 ч, для внутрисосудистого введения – 0; 0,016; 0,15; 0,25; 0,5; 1; 1,5; 2; 4; 6; 12 ч. Образцы помещались в пробирки, обработанные литий-гепарином и центрифугировались при 3000 об/мин в течение 15 минут для отделения плазмы.

Предварительную пробоподготовку к количественному определению цинка проводили методом минерализации в хлорной кислоте (72,4%) при 190-210оС с доокислением перекисью водорода (36%). Прозрачный минерализат упаривался до влажных солей, после чего растворялся в деионизированной воде и анализировался методом атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрометре СПЕКТР-5-4 (АО «СОЮЗЦВЕТМЕТАВТОМАТИКА», номер в государственном реестре средств измерения 13743-04). Перед началом работы производилась калибровка методом абсолютной градуировки с использованием ГСО ионов цинка (ООО ЦСОВВ, Россия, номер в реестре 8053-94) в диапазоне концентраций 0,0005 – 1,0 мг/дм3.

Для характеристики статистических показателей рассчитывали среднюю арифметическую, стандартное квадратичное отклонение средней арифметической (Sd), стандартную ошибку средней арифметической (m), коэффициент вариации (CV%). Математические расчеты и построение графиков реализовывалось при помощи программного обеспечения Origin Pro 9.2 (OriginLab, США) и Excel 14 (Microsoft, США).

Результаты и их обсуждение

Фармакокинетические кривые наночастиц гидроксида цинка после энтерального введения представлены на рисунке 1, а соответствующие им фармакокинетические параметры в таблице 1.

 

6994-7714-1-SP.png

Рис. 1. Фармакокинетические кривые гидроксида (А) и сульфата цинка (B) при их энтеральном введении в дозах 10 (1), 50 (2) и 100 (3) мг/кг

 

Таблица 1. Параметры фармакокинетики гидроксида и сульфата цинка

после однократного энтерального введения

 

 

Однократное энтеральное введение

Однократное энтеральное введение

 

Параметры

наноформы гидроксида цинка

растворимого сульфата цинка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

доза, мг/кг

 

 

доза, мг/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

50

100

10

50

100

 

AUC0-t,

1041,95±41,89

3581,48±59,42

6431,29±58,79

1269,68±56,58

3550,33±45,30

6061,00±55,73

 

ч×мкг/мл

 

 

 

 

 

 

 

 

AUMC,

1246,41±34,07

3814,43±101,07

6768,75±145,35

1482,27±68,24

3766,19±41,70

6349,63±103,54

 

ч2×мкг/мл

 

ClT,мл/ч

9,61 ±0,38

13,96 ± 0,23

15,55 ± 0,14

7,89 ±0,35

14,09 ± 0,18

16,50 ± 0,15

 

MRT, ч

1,19 ± 0,05

1,07 ± 0,03

1,05 ±0,02

1,17 ± 0,08

1,06 ±0,01

1,03 ± 0,02

 

Cmax, мкг/мл

120,82±9,08

391,49±12,69

674,29±19,86

169,67±12,01

386,22±21,51

553,05±26,77

 

Tmax, ч

4

4

4

6

6

6

 

Т1/2, ч

5,02 ±0,12

5,21 ± 0,15

5,11 ± 0,09

5,59 ±0,17

5,51 ± 0,33

5,59 ±0,27

 

Cmax/AUC, 1/ч

0,12 ±0,01

0,11 ± 0,01

0,10 ±0,01

0,13 ±0,01

0,11 ± 0,01

0,09 ±0,01

 

Fa, %

33,01±3,55

45,15 ± 3,68

43,18 ± 2,71

32,92 ± 2,30

44,43 ± 4,60

38,96 ± 1,87

 

 

Примечание: , n=6 (в группе)

 

Основные фармакокинетические показатели рассчитывали модельно-независимым методом: AUC0-t (ч×мкг/мл) – площадь под фармакокинетической кривой «концентрация – время», AUMC (ч2×мкг/мл) – площадь под кривой «произведение времени на концентрацию фармакологического средства» (t×C), ClT (мл/ч) – общий клиренс, MRT (ч) – среднее время пребывания соединения в организме, Сmax (мкг/мл) – максимальная концентрация цинка в плазме животных, Tmax (ч) – время достижения__ максимальной концентрации в плазме, Т1/2 (ч) – период времени, за который концентрация соединения в плазме снижается вдвое, Сmax/AUC (1/ч) – параметр, характеризующий скорость всасывания в системный кровоток.

Время достижения максимальной концентрации Zn2+ в плазме после введения наноформы гидроксида цинка было определено, как 4 часа, что по сравнению с соединением-сравнения сульфатом цинка быстрее – 6 часов. Максимальная концентрация цинк-ионов в плазме после введения испытуемых соединений достоверно (p<0,05) выше для сульфата цинка, чем для наноформы при дозировке 10 мг/кг (169,67±12,01 мкг/мл и 120,82±9,08 мкг/мл соответственно), при дозировке 50 мг/кг не имеет статистических различий (386,22±10,38 и 391,49±12,69 мкг/мл) и при 100 мг/кг выше (р<0,05) для наночастиц гидроксида цинка (674,29±19,86 мкг/мл и 553,05±26,77 мкг/мл).

Процесс всасывания цинка при введении растворимой формы начинается в проксимальном отделе тонкого кишечника, где на границе щеточной каймы происходит его связывание с глобулином и альбумином, с последующим переносом в системный кровоток [12]. Механизм абсорбции цинка при введении малорастворимой формы может проходить различно – либо с полным растворением введенной формы в желудочном соке с последующим всасыванием характерным для растворимых форм, либо с частичным растворением, когда часть введенной формы попадает в тонкий кишечник в неизменном виде и способна проникать в системный кровоток в виде частиц в силу своего малого размера [5, 13]. При введении малых доз (10 и 50 мг/кг) наночастиц гидроксида цинка происходит практически полное растворение в желудочном соке, о чем свидетельствуют меньшие значения максимальной концентрации наноформы по сравнению с растворенной формой сульфата цинка. При введении более высоких доз (100 мг/кг) могут наблюдаться трудности при растворении наноформы в желудочном соке, которые обусловлены ее пространственным строением (наночастицы гидроксида цинка представляют собой коллоидную частицу, окруженную оболочкой из стабилизирующих противоионов), вследствие чего наночастицы могут проникать в тонкий кишечник в неизменном виде. Такой характер всасывания объясняет более быстрое время достижения максимальной концентрации наноформы в плазме крови – проникновение в системный кровоток в виде частиц, исключает время, затраченное на связывание ионов цинка с белками. Кроме того, часть цинка, перешедшего в растворенную форму, обуславливает более медленный спад после достижения максимальной концентрации.

Для определения параметров абсолютной биодоступности были изучены фармакокинетические параметры в условиях внутрисосудистого введения. На основании фармакокинетических кривых были рассчитаны фармакокинетические параметры, которые представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. Параметры фармакокинетики гидроксида и сульфата цинка

после однократного внутривенного введения

 

Однократная инъекция

 

Однократная инъекция сульфата цинка

 

 

наноформы гидроксида цинка

 

 

Параметры

 

 

 

 

 

 

 

доза, мг/кг

 

 

 

доза, мг/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

50

100

 

10

50

 

100

 

AUC0-t,

31,23 ± 3,85

80,43 ± 7,09

150,31 ± 8,75

38,67 ± 2,28

80,57 ± 7,79

 

155,90 ± 10,43

 

ч×мкг/мл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AUMC,

35,89±4,19

84,18±8,75

150,48±8,35

40,28 ± 2,88

82,16±7,27

 

156,74±10,43

 

ч2×мкг/мл

 

 

ClT,мл/ч

324,11 ± 38,76

625,79 ± 55,96

667,17 ± 38,63

259,37 ± 15,62

625,27 ± 58,64

 

643,11 ± 35,94

 

MRT, ч

1,16 ± 0,19

1,05 ± 0,06

1,00 ± 0,05

1,04 ± 0,09

1,02 ± 0,06

 

1,01 ± 0,08

 

Cmax, мкг/мл

115,92 ± 4,51

264,74 ± 6,09

400,64±17,36

178,29±10,77

382,76 ± 7,27

 

593,27 ± 12,70

 

Tmax, ч

0,016

0,016

0,016

 

0,016

0,016

 

0,016

 

Т1/2, ч

0,40 ± 0,08

0,43 ± 0,08

0,40 ± 0,03

0,13 ± 0,01

0,14 ± 0,02

 

0,14 ± 0,01

 

Cmax/AUC, 1/ч

3,76 ± 0,51

3,31 ± 0,33

2,83 ± 0,34

4,53 ± 0,44

4,79 ± 0,45

 

4,04 ± 0,52

 

 

Примечание: , n=6 (в группе)

 

Время достижения максимальной концентрации в плазме при внутривенном введении составляет 0,016 ч (1 мин.) вне зависимости от введенной дозы и типа соединения. Значения максимальной концентрации ионов цинка в плазме при энтеральном введении достоверно (p<0,05) выше для дозировок 50 и 100 мг/кг, чем при внутривенном (рис. 2).

 

6994-7715-1-SP.png

Рис. 2. Максимальная концентрация ионов цинка в плазме для наноформы гидроксида цинка и растворимого сульфата цинка после введения энтерально (1) и внутривенно (2) при трех уровнях дозы 10, 50 и 100 мг/кг. ( , p=0,05, * – различия статистически значимы)

 

Более низкий уровень концентрации Zn2+ в плазме крови может быть объяснен способностью наночастиц к адсорбции на поверхности форменных элементов крови (в частности, эритроцитов), что согласуется с известными литературными данными [14]. Поскольку определение концентрации цинка проводилось в плазме, то данный уровень (рис. 3) может демонстрировать долю распределения наноформы цинка гидроксида между эритроцитами и плазмой. В группе, где вводился растворимый сульфат цинка статистически значимых различий между концентрацией цинка в плазме при различных путях введения не наблюдается. Способность к накоплению наночастиц гидроксида цинка в эритроцитарной массе также была отмечена нами в экспериментах на крысах [5], где была обнаружена более высокая концентрация цинка, чем в плазме крови.

 

6994-7716-1-SP.png

Рис. 3. Абсолютная биодоступность для наноформы гидроксида цинка (1) и для растворимого соединения-сравнения сульфата цинка (2) после введения энтерально в дозировке 10 (А), 50 (В) и 100 (С) мг/кг. ( , p=0,05, * – различия статистически значимы)

 

На основании данных площади под фармакокинетической кривой была определена относительная биодоступность (fa) (рис. 3). Для полученной нами наноформы гидроксида цинка значения составили 33,01±3,55, 45,15±3,68 и 43,18±2,71% соответственно для трех дозировок. Эти же параметры для соединения сравнения – сульфата цинка рассчитаны как 32,92±2,30, 44,43±4,60 и 38,96±1,87%. Отсутствие статистически значимых различий между значениями абсолютной биодоступности при дозировках 10 и 50 мг/кг объясняется механизмом всасывания по типу растворимого соединения (полное растворение в желудочном соке), а увеличение параметра fa для наноформы при увеличении дозировки до 100 мг/кг отражает изменение механизма – происходит всасывание не растворившихся в желудочном соке наночастиц в неизменном виде.

Выводы

  1. Определены основные параметры фармакокинетики цинка при введении его в наноформе гидроксида цинка, а также в форме растворимого сульфата цинка (соединение-сравнения).
  2. Максимальная концентрация ионов цинка в плазме крови при внутривенном введении наноформы гидроксида достоверно (p<0,05) ниже, чем при энтеральном введении и составляет 264,74±6,09 и 391,49±12,69 мкг/мл для дозировки 50 мг/кг, 400,64±17,36 и 674,29±19,86 мкг/мл для дозы 100 мг/кг, что свидетельствует об отличиях в механизме распределения наночастиц между эритроцитарной массой и плазмой по сравнению с растворимым соединением.
  3. Определены параметры абсолютной биодоступности для наноформы гидроксида цинка при энтеральном введении, которые составили 33,01±3,55, 45,15±3,68 и 43,18±2,71% соответственно для доз 10, 50 и 100 мг/кг.
  4. При энтеральном введении наноформы наблюдается более быстрое время наступления максимальной концентрации ионов цинка в крови (4 ч), чем при введении соединения - сравнения (6 ч).

Конфликт интересов отсутствует.

S. L. Larin

Author for correspondence.
sergeilarin.kursk@gmail.com
Kursk State Medical University
Russian Federation, 3, K. Marksa street, Kursk, 305041

аспирант кафедры общей и биоорганической химии

A. R. Zvyagintseva

sergeilarin.kursk@gmail.com
Kursk State Medical University
Russian Federation, 3, K. Marksa street, Kursk, 305041

аспирант кафедры оперативной хирургии и топографической анатомии

A. A. Khabarov

sergeilarin.kursk@gmail.com
Kursk State Medical University
Russian Federation, 3, K. Marksa street, Kursk, 305041

д.фарм.н., профессор кафедры общей и биорганической химии

E. V. Budko

sergeilarin.kursk@gmail.com
Kursk State Medical University
Russian Federation, 3, K. Marksa street, Kursk, 305041

д.фарм.н., проф., зав. кафедрой общей и биорганической химии

E. B. Artushkova

sergeilarin.kursk@gmail.com
Kursk State Medical University
Russian Federation, 3, K. Marksa street, Kursk, 305041

д.б.н., проф., директор НИИ Экологической медицины

  • Сальникова Е.В. Цинк – эссенциальный микроэлемент (обзор) // Вестник ОГУ. 2012. №10. С. 170-172.
  • Kumssa D.B., Joy E.J.M., Ander E.L., Watts M.J., Young S.D., Walker S. et al.Dietary calcium and zinc deficiency risks are decreasing but remain prevalent // Scientific reports. 2015. Vol. 5. P. 1-11. doi: 10.1038/srep10974.
  • Lim S.S., Vos T., Flaxman A.D., Danaei G., Shibuya K., Adair-Rohani H. et al. A comparative risk assessment of burden of disease and injury attributable to 67 risk factors and risk factor clusters in 21 regions, 1990-2010: a systematic analyses for the Global Burden of Disease Study // The Lancet. 2012. Vol. 380, №9859. P. 2224-2260. doi: 10.1016/S0140-6736(12)61766-8.
  • Халиуллина С.В. Клиническое значение дефицита цинка в организме ребенка (обзор литературы) // Вестник современной клинической медицины. 2013. Т. 6, №3. С. 72-78.
  • Kim M.K., Lee J-A., Jo M-R., Choi S-J. Bioavailability of silica, titanium dioxide, and zinc oxide nanoparticles in rats // Journal of nanoscience and nanotechnology. 2016. Vol. 16, №6. P. 6580-6586. doi: 10.1166/jnn.2016.12350.
  • Baek M., Chung H.E., Yu J., Lee J.A., Kim T.H., Oh J.M. et al. Pharmacokinetics, tissue distribution, and excretion of zinc oxide nanoparticles // International Journal of Nanomedicine. 2012. Vol. 7. P. 3081-3097. doi: 10.2147/IJN.S32593.
  • Котенко К.В., Беляев И.К., Бузулуков Ю.П., Бушманов А.Ю., Демин В.Ф., Жорова Е.С. и др. Экспериментальное исследование биокинетики наночастиц оксида цинка у крыс после однократного перорального введения с использованием технологии меченых атомов // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2011. Т. 56, №2. С. 5-10.
  • Ларин С.Л., Будко Е.В., Хабаров А.А. Влияние разноразмерных соединений цинка на подъемную силу тесткультуры Saccharomyces cerevisiae // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. Т. 47, №5. С. 180-185. doi: 10.18454/IRJ.2016.47.129.
  • Ларин С.Л., Будко Е.В., Хабаров А.А., Липатов В.А., Звягинцева А.Р. Экспериментальное исследование динамики накопления цинка при внутрижелудочном введении наночастиц Zn(OH)2 и микрочастиц ZnO // Курский научно-практический вестник «Человек и его здоровье». 2016. №3. С. 100- 106. doi: 10.21626/vestnik/2016-3/15.
  • Будко Е.В., Хабаров А.А., Ларин С.Л. Синтез и характеристика малоразмерных соединений цинка для коррекции гипоцинкозов // Перспективные материалы. 2016. №3. С. 41-46.
  • Миронов А.Н. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. М.: Гриф и К, 2012. Ч. 1. 944 с.
  • Krebs N.F. Overview of zinc absorption and excretion in the human gastrointestinal tract // The Journal of nutrition. 2000. Vol. 130, №5. P. 1374S-1377S.
  • Song W., Zhang J., Guo J., Zhang J., Ding F., Li L., Sun Z. Role of the dissolved zinc ion and reactive oxygen species in cytotoxicity of ZnO nanoparticles // Toxicology Letters. 2010. Vol. 199, №3. P. 389- 397. doi: 10.1016/j.toxlet.2010.10.003.
  • Šimundić M., Drašler B., Šuštar V., Zupanc J., Štukelj R., Makovec D. et al. Effect of engineered TiO2 and ZnO nanoparticles on erythrocytes, platelet-rich plasma and giant unilamelar phospholipid vesicles // BMC Veterinary Research. 2013. Vol. 9, №7. P. 1-13. doi: 10.1186/1746-6148-9-7.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Views

Abstract - 77

PDF (Russian) - 5


Copyright (c) 2017 Larin S.L., Zvyagintseva A.R., Khabarov A.A., Budko E.V., Artushkova E.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.