New approaches to donor plasma photodynamic pathogen-inactivation on the base of fullerenes-containing photosensibilization agents

Abstract


The problem of transfusion-transmissible infections risk reduction remains one of the actual problems of transfusion medicine in Russia. As to WHO data, each tenth patient needs blood or blood components and preparations transfusions. Pathogen-reduction (inactivation) provides a proactive approach to reducing transfusion-transmissible infections. Several pathogen-inactivation technologies are being developed, with photodynamic inactivation as one of the promising approaches. The article is devoted to a new photodynamic pathogen-inactivation method on the base of fullerenes-nanostructures.

Передача инфекций с плазмой донорской крови при трансфузии является одним из путей заражения реципиентов и распространения таких опасных инфекций, как гепатит, ВИЧ-инфекция и сифилис. Кроме того, за последние годы в группу заболеваний, передающихся при переливании крови и ее компонентов, попали еще более 3D «новых» инфекционных болезней человека, и, видимо, эта группа будет постоянно увеличиваться. В ряде стран в последнее десятилетие по рекомендации ВОЗ был введен ряд инактивационных технологий при производстве донорской плазмы крови, позволяющих снизить риск заражения инфекционными заболеваниями при трансфузии. К числу технологий, используемых в настоящее время за рубежом, можно отнести: обработку плазмы растворителем/детергентом, многократный цикл за-морозки-разморозки, обработку плазмы с помощью фотосенсибилизатора на основе красителя метиле-нового синего. В России в качестве средства профилактики передачи гемотрансмиссивных инфекций используется, как правило, метод карантинизации донорской плазмы, т. е. ее хранения в течение возможного сероне-гативного периода при отрицательной температуре. Впоследствии проводят повторное исследование крови донора для подтверждения ее вирусной безопасности. Этот метод является весьма затратным. Ранее Институтом лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им. С. И. Вавилова», Институтом гриппа РАМН и Институтом экспериментальной медицины РАМН был предложен и апробирован новый подход к инактивации вирусов в биологических жидкостях (на примере вируса гриппа) с помощью фотодинамического метода на основе фуллеренов. Фотосенсибилизаторы на основе фуллеренов обладают высокой эффективностью образования активных форм кислорода, воздействующих на вирусы. Важной особенностью данного типа фотосенсибилизаторов является их высокая фотохимическая стабильность, т. е. отсутствие побочных вредных продуктов при фотодинамическом воздействии, а также возможность извлечь фотосенсибилизаторы из биологической среды после фотодинамического воздействия. Авторы данной работы попытались использовать эти уникальные свойства новых фотосенсибилизаторов применительно к биологическим системам и прежде всего к плазме донорской крови. Для этого были проведены исследования по разработке новых типов фотосенсибилизаторов - твердофазных фотосенсибилизаторов на основе фуллеренов, изучены их структурные особенности и проведены исследования по оптимизации генерации синглетного кислорода этими структурами. На основании проведенной работы выбран наиболее эффективный фотосенсибилизатор на основе микрочастиц силикагеля, покрытых фуллеренами С60, поскольку он обладает простотой получения, эффективной генерацией синглетного кислорода, большой удельной поверхностью и может быть полностью извлечен из биологической жидкости. Проведено изучение свойств твердофазного фотосенсибилизатора на основе фуллеренов с точки зрения его фотостабильности и механической прочности. Фуллерены открыты в 1985 г (Крото, Смолли, О'Брайн, Кёрл). Фуллерены - многоатомные молекулы, состоящие из атомов углерода (п>20). Наиболее детально изученной и используемой на практике является молекула С60. Молекула С60 - «бакминстер-фуллерен», состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников. hv Электронная оболочка молекул состоит из дело-кализованных тс-сопряженных электронов. Это определяет свойства фуллеренов как эффективных фотосенсибилизаторов. Фуллерены генерируют активные формы кислорода при воздействии освещения в присутствии кислорода. Возможно образование двух активных форм кислорода: синглетного кислорода 1Д 02 и супероксид-анион-радикала О ~. 'во О, 'во 60 1С, Образование синглетного кислорода происходит при взаимодействии фотовозбужденных молекул фуллерена, перешедших в триплетное состояние, с молекулярным кислородом. Образование супероксид-анион-радикала кислорода происходит при переносе электрона в донор-но-акцепторном взаимодействии фотовозбужденной молекулы фуллерена, при наличии донора электронов, с получением анион-радикала С60~, а затем при взаимодействии с кислородом супер-анион-радикала кислорода 02". hv '60 В качестве донора может выступать биологическая молекула. Как показали предварительные исследования, инактивация вирусов с помощью фуллеренов происходит в основном посредством воздействия на вирусы синглетным кислородом. Подчеркнем важные преимущества фотосенсибилизаторов на основе фуллеренов по сравнению с традиционными фотосенсибилизаторами на основе красителей (например, метиленового синего): • широкий спектр поглощения в видимой области спектра; • высокая фотохимическая стабильность. Отсутствие вредных побочных продуктов фотохимической реакции и расхода фотосенсибилизаторов; • фуллерены не растворимы в водных и биологических жидкостях, что позволяет удалять их из биологической среды после процесса фотодинамического воздействия. Фотодмнамическая инактивация вирусов с использованием фотосенсибилизаторов на основе фуллеренов Рис. 2. Механизм фотодинамической инактивации вирусов с использованием фотосенсибилизаторов на основе фуллеренов ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНЕСЕННЫЕ НА МИКРОЧАСТИЦЫ СИЛИКАГЕЛЯ С целью увеличения рабочей площади поверхности твердофазных сенсибилизаторов авторами данной работы предложен и разработан способ нанесения покрытия из фуллерена на частицы силикаге-ля. В качестве матрицы был выбран мелкопористый силикагель марки КСК, который в настоящее время находит широкое практическое применение в медицинской промышленности. Была выбрана фракция частиц мелкопористого силикагеля размером 20 мкм. Размер пор составлял 100 А. Как было показано, полученные твердофазные композиции, представляющие собой частицы силикагеля с нанесенным на них слоем фуллерена, отличались высокой прочностью иммобилизованного слоя, воспроизводимостью свойств независимо от партии получения и хорошей смачиваемостью в воде. Наиболее перспективными твердофазными фул-леренсодержащими фотосенсибилизаторами являются композиции, представляющие собой частицы силикагеля с нанесенным на них слоем фуллерена, поскольку именно они обладают большой площадью рабочей поверхности, содержащей фуллерен, характеризуются удобством при работе с ними и при извлечении их из вязких биологических жидкостей. При разработке схемы инактивации возбудителей гемотрансмиссивных инфекций в плазме донорской крови учитывались: - общие принципы фотодинамического воздействия на биологические объекты; - необходимость обработки плазмы при невысоких температурах и в стерильных условиях; - использование одноразовых контейнеров на всех этапах обработки; - специфика проведения процесса фотодинамической инактивации донорской плазмы с помощью новых твердофазных фотосенсибилизаторов на основе фуллеренов; - необходимость осуществления управления и контроля за процессом фотодинамической инактивации. Было изучено влияние фотодинамического воздействия на компоненты гемостаза: ф. УТЛ, ф. Вил-лебранда, АПТВ, протромбиновый комплекс. Следует еще раз подчеркнуть, что система гемостаза представляет собой весьма лабильную белковую композицию. Практически любое воздействие на плазму, а именно: фильтрация, хранение, обработка инактивирующими агентами, неминуемо приводит к нарушению данной системы. Наша задача заключалась в том, чтобы найти наиболее щадящие условия фотодинамического воздействия, при которых уровень активности основных компонентов гемостаза находился бы в интервале допустимых значений, установленных ВОЗ. В результате исследований были определены оптимальные условия, обеспечивающие допустимое фотодинамическое воздействие на систему свертывания крови. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Предложен новый подход к инактивации вирусов в плазме донорской крови с помощью твердофазных фотосенсибилизаторов на основе наноструктур-фуллеренов. 2. Выработаны требования к фотосенсибилизаторам на основе фуллеренов. Фотосенсибилизаторы для инактивации вирусов в биологической жидкости должны обладать следующими свойствами: • хорошей смачиваемостью в жидкой среде; • высокой эффективностью генерации синглетного кислорода в гетерофазных условиях; • фотостабильностью под воздействием излучения в биологической среде; • химической и физической устойчивостью в биологической среде; • высокой способностью к инактивации вирусов в биологических жидкостях, обладающих высокой вязкостью; • простотой получения, технологичностью и воспроизводимостью физико-химических свойств; • возможностью полного и легкого извлечения из биологической среды после процедуры фотодинамического воздействия. 3. Проведены исследования по фотодинамическому воздействию разработанного твердофазного фотосенсибилизатора на основе микрочастиц сили-кагеля, покрытых фуллереном, на коагулологические свойства плазмы донорской крови. Учитывая сохранение без изменения содержания общего белка в обработанной плазме, отсутствие ци-тотоксичности плазмы, прошедшей фотодинамическую обработку, а также то, что фотодинамическая инактивация плазмы с помощью фуллеренсодер-жащих нанокомпозитных фотосенсибилизаторов не ведет к существенным изменениям параметров системы гемостаза донорской плазмы, данный метод может быть рекомендован для дальнейшего изучения инактивации вирусов в плазме донорской крови.

E A Selivanov

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

N P Sivakova

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

R P Ivanova

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

A L Petrova

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

I M Belousova

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

T D Muravjova

Russian Research Institute of Hematology and Transfusiology,St. Petersburg

  1. Балаян М.С. Вирусные гепатиты // Новое в трансфузиологии. 2000. № 25. С. 67-74.
  2. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Будтов В.П., Данилов В.В. Фуллерены: структурные, физико-химические и нелинейно-оптические свойства // Оптический журн. 1997- Т. 6. № 12. С. 3-37.
  3. Голосова Т.В., Сомова А.В., Ковалева Е.П. Организация и стратегия профилактики вирусных инфекций в учреждениях службы крови // Пробл. гематол. и перелив, крови. 1996. № 1. С. 5-10.
  4. Голосова Т.В., Сомова А.В., Туполева ТА. и др. Оценка риска передачи вирусных инфекций при гемотрансфузиях // Вестник Службы крови России. 2000. № 2. С. 25-32.
  5. Голосова Т.В., Никитин И.К. Гемотрансмиссивные инфекции. М., 2003.
  6. Самонин В.В., Никонова В.Ю., Спиридонова Е.А. Влияние оптического облучения на сорбционные свойства фуллереновых материалов // Журн. физ. химии. 2007. Т. 81. № 8. С. 1-6.
  7. Селиванов Е.А., Данилова Т.Н., Дегтерева И.Н., Григорьян М.Ш., Воробей Л.Г Характеристика деятельности учреждений Службы крови России в 2007 году // Трансфузиология. 2008. Т. 9. № 3. С. 4-26.
  8. Arbogast Y.W., Darmanyan А.P., Foote Ch.S. Photopysical properties of C60 // J. Phys. Chem. 1991. Vol. 95. P. 11-15.
  9. Bianco C. West Nile Virus Transmission by Blood Transfusion and transplantation // Blood Therapies in Med. 2003. Vol. 3.P. 78-83.
  10. Burnouf Т., Goubran H.A., Radosevich M., Sayed M.A. et al. A process for solvent/detergent treatment of plasma for transfusion at blood centers that use a disposable-bag system // Human Plasma Product Services. Lille. France Transfusion. 2006. Vol. 12 (Dec.46). P. 2100-2108.
  11. Zarubaev V.V. PhD, Belousova I.M., Kiselev O.I. et al. Photodynamic inactivation of influenza virus withfullerene C60 suspension in allantoic fluid // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2007. Vol. 4. P. 31-35.
  12. Hardwick C.C., Herivel T. R. et al. // Photochemistry and Photobiology. 2004. Vol. 80. P. 609-615.
  13. Kasermann F., Kempf C. Buckminsterfullerene and photodynamic inactivation of viruses // Rev. Med. Virol. 1998. Vol. 8. P. 143-151.
  14. Riedier G.F., Haycox A.R., Duggan A.K., Dakin H.A. Cost-effectiveness of solvent-treated fresh-frosen plasma // Vox Sangvuinis. 2003. Vol. 85 (2). P. 8895.
  15. Snelling D.R. Production of singlet oxygen in the benzene oxygen photo-chemical system // Chem. Phys. Letters. 1968. Vol. 2. № 5. P. 346-348.

Views

Abstract - 21

Cited-By


Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2009 Selivanov E.A., Sivakova N.P., Ivanova R.P., Petrova A.L., Belousova I.M., Muravjova T.D.

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

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies