Preview

Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. Регуляторные исследования и экспертиза лекарственных средств

Расширенный поиск

Применение метода диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР для анализа полисахаридов

https://doi.org/10.30895/1991-2919-2022-12-1-24-40

Полный текст:

Аннотация

Метод диффузионно-упорядоченной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (DOSY) является разновидностью транспортных методов, используемых в аналитической химии. Он основан на экспериментальном фиксировании трансляционной подвижности молекул при термодинамическом равновесии в  растворе, которая количественно характеризуется коэффициентом самодиффузии. Цель работы — обобщение основных направлений использования метода DOSY для анализа природных и модифицированных природных полисахаридов, применяемых в фармацевтике и фармацевтической биотехнологии. В обзоре показано, что этот метод является действенным инструментом для мониторинга фракционирования при выделении полисахаридов из природной смеси, оценки их средней молекулярной массы и молекулярно-массового распределения, изучения образования супрамолекулярных систем на основе полисахаридов. Описаны основные проблемы прецизионного измерения коэффициента самодиффузии макромолекул полисахаридов, приведены поправочные коэффициенты для нивелирования ошибок, связанных с колебаниями температуры и вязкости растворов. С помощью понятия полифазности дано объяснение экспериментально наблюдаемому разбросу значений коэффициентов самодиффузии ядер макромолекулы узкодисперсного полимера. Показаны способы характеристики трансляционной подвижности полифазной полимерной макромолекулы как единого целого. Обобщены значения параметров импульсных градиентных последовательностей, используемых при количественных измерениях коэффициентов самодиффузии линейных, малоразветвленных и разветвленных полисахаридов.

Об авторах

Н. Е. Кузьмина
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Кузьмина Наталия Евгеньевна, доктор химических наук

Петровский б-р, д. 8, стр. 2, Москва, 127051



С. В. Моисеев
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Моисеев Сергей Владимирович, кандидат химических наук, доцент

Петровский б-р, д. 8, стр. 2, Москва, 127051



Е. Ю. Северинова
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Северинова Елена Юрьевна

Петровский б-р, д. 8, стр. 2, Москва, 127051



А. И. Лутцева
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Россия

Лутцева Анна Ивановна, кандидат фармацевтических наук

Петровский б-р, д. 8, стр. 2, Москва, 127051



Список литературы

1. Yanaki T, Ito W, Tabata K, Kojima T, Norisuye T, Takano N, Fujita H. Correlation between the antitumor activity of a polysaccharide schizophyllan and its triple-helical conformation in dilute aqueous solution. Biophys Chem. 1983;17(4):337–42. https://doi.org/10.1016/0301-4622(83)80018-0

2. Sasaki T, Takasuka N. Further study of the structure of lentinan, an anti-tumor polysaccharide from Lentinus edodes. Carbohydr Res. 1976;47(1):99–104. https://doi.org/10.1016/s0008-6215(00)83552-1

3. Sasaki T, Abiko N, Sugino Y, Nitta K. Dependence on chain length of antitumor activity of (1→3)-β-D-glucan from Alcaligenes faecalis var. myxogenes, IFO 13140, and its acid-degraded products. Cancer Res. 1978;38(2):379–83. PMID: 620409

4. Зуева ЕП, Лопатина КА, Разина ТГ, Гурьев АМ. Полисахариды в онкологии. Томск: Печатная мануфактура; 2010.

5. Медуницын НВ. Вакцинология. М.: Триада-Х; 2004.

6. Большаков ИН, Еремеев АВ, Черданцев ДВ, Каскаев АВ, Кириченко АК, Власов АА, Сапожников АН. Биодеградируемые раневые покрытия на основе полисахаридных полимеров в лечении обширной ожоговой травмы (клиническое исследование). Вопросы реконструктивной и пластической хирургии. 2011;3:56–62.

7. Хлыстова ТС, Колаева АВ, Валуева МИ, Гусев ИВ. Природные полимеры для создания раневых покрытий. Сырье и упаковка. 2014;153(1):30–1.

8. Молчанов ИВ, Гольдина ОА, Горбачевский ЮВ. Растворы гидроксиэтилированного крахмала — современные и эффективные плазмозамещающие средства инфузионной терапии. М.: НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН; 1998.

9. Shu CH, Wen BJ, Lin KJ. Monitoring the polysaccharide quality of Agaricus blazei in submerged culture by examining molecular weight distribution and TNF-alpha release capability of macrophage cell line RAW 264.7. Biotechnol Lett. 2004;26(4):2061–4. PMID: 15055776

10. Беседнова НН, Кузнецова ТА, Запорожец ТС, Крыжановский СП, Гажа АК, Добряков ЕЮ, Звягинцева ТН. Воздействие полисахаридов из морских водорослей на патогенетические мишени Helicobacter pylori — новое направление в терапии и профилактике хеликобактерной инфекции. Антибиотики и химиотерапия. 2020;65(1–2):44–53. https://doi.org/10.37489/0235-2990-2020-65-1-2-44-53

11. Олтаржевская НД, Коровина МА, Кричевский ГЕ, Щедрина МА, Егорова ЕА. Возможности применения полисахаридов при лечении ран. Раны и раневые инфекции. Журнал им. проф. Б. М. Костюченка. 2019;6(2):24–31. https://doi.org/10.25199/2408-9613-2019-6-2-24-31

12. Kojima T, Tabata K, Itoh W, Yanaki T. Molecular weight dependence of the antitumor activity of schizophyllan. Agric Biol Chem. 1986;50(1):231–2. https://doi.org/10.1080/00021369.1986.10867365

13. Olafsdottir ES, Omarsdottir S, Paulsen BS, Wagner H. Immunologically active O6-branched (1→3)-β-glucan from the lichen Thamnolia vermicularis var. subuliformis. Phytomedicine. 2003;10(4):318–24. https://doi.org/10.1078/094471103322004811

14. Maeda YY, Chihara G. Lentinan and other antitumoral polysaccharides. In: Wagner H, ed. Immunomodulatory agents from plants. Basel: Birkhäuser Verlag; 1999. P. 203– 21. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-8763-2_8

15. Tzianabos AO. Polysaccharide immunomodulators as therapeutic agents: structural aspects and biologic function. Clin Microbiol Rev. 2000;13(4):523–33. https://doi.org/10.1128/cmr.13.4.523-533.2000

16. Cozzolino R, Malvagna P, Spina E, Giori A, Fuzzati N, Anelli A, et al. Structural analysis of the polysaccharides from Echinacea angustifolia radix. Carbohydr Polym. 2006;65(3):263–72. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.01.012

17. Morris KF, Johnson Jr CS. Diffusion-ordered two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Am Chem Soc. 1992;114(8):3139–41. https://doi.org/10.1021/ja00034a071

18. Price WS. Pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance as a tool for studying translational diffusion: Part 1. Basic theory. Concept Magn Reson. 1997;9(5):299–336. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-0534(1997)9:5%3C299::AID-CMR2%3E3.0.CO;2-U

19. Johnson Jr CS. Diffusion ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy: principles and applications. Prog Nucl Magn Reson Spectrosc. 1999;34(3–4):203–56.

20. Schulze BM, Watkins DL, Zhang J, Ghiviriga I, Castellano RK. Estimating the shape and size of supramolecular assemblies by variable temperature diffusion ordered spectroscopy. Org Biomol Chem. 2014;12(40):7932–6. https://doi.org/10.1039/c4ob01373e

21. Flory P. Princinples of Polymer Chemistry. New York: Cornell University Press; 1978.

22. Gounarides JS, Chen A, Shapiro MJ. Nuclear magnetic resonance chromatography: applications of pulse field gradient diffusion NMR to mixture analysis and ligand-receptor interactions. J Chromatogr B Biomed Sci Appl. 1999;725(1):79–90. https://doi.org/10.1016/s0378-4347(98)00512-x

23. Steiskal EO, Tanner JE. Spin diffusion measurements: spin echoes in presence of a time-dependent field gradient. J Chem Phys. 1965;42(1):288. https://doi.org/10.1063/1.1695690

24. Харламов СВ, Латыпов ШК. Современная диффузионно-упорядоченная спектроскопия ЯМР в химии супрамолекулярных систем: возможности и ограничения. Успехи химии. 2010;79(8):699–719. https://doi.org/10.1070/RC2010v079n08ABEH004148

25. Черныш ЮЕ, Волынкин ВА, Панюшкин ВТ, Кондаков ВИ, Коробов МС, Бородкин ГС. Применение селективных методов гетероядерной спектроскопии ЯМР в исследованиях многокомпонентных систем. Успехи химии. 2005;74(4):344–68. https://doi.org/10.1070/RC2005v074n04ABEH000892

26. Li D, Kagan G, Hopson R, Williard PG. Formula weight prediction by internal reference diffusion-ordered NMR spectroscopy (DOSY). J Am Chem Soc. 2009;131(15):5627– 34. https://doi.org/10.1021/ja810154u

27. Hsieh YSY, Chien C, Liao SKS, Liao SF, Hung WT, Yang WB, et al. Structure and bioactivity of the polysaccharides in medicinal plant Dendrobium huoshanense. Bioorg Med Chem. 2008;16(11):6054–68. https://doi.org/10.1016/j.bmc.2008.04.042

28. Pannakal ST, Jäger S, Duranton A, Tewari A, Saha S, Radhakrishnan A, et al. Longevity effect of a polysaccharide from Chlorophytum borivilianum on Caenorhabditis elegans and Saccharomyces cerevisiae. PLoS One. 2017;12(7):e0179813. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0179813

29. Zjawiony JK. Biologically active compounds from Aphyllophorales (polypore) fungi. J Nat Prod. 2004;67(2):300– 10. https://doi.org/10.1021/np030372w

30. Tomati U, Belardinelli M, Galli E, Iori V, Capitani D, Mannina L, et al. NMR characterization of the polysaccharidic fraction from Lentinula edodes grown on olive mill waste waters. Carbohydr Res. 2004;339(6):1129– 34. https://doi.org/10.1016/j.carres.2004.02.007

31. Breitenbach R, Silbernagl D, Toepel J, Sturm H, Broughton WJ, Sassaki GL, Gorbushina AA. Corrosive extracellular polysaccharides of the rock-inhabiting model fungus Knufia petricola. Extremophiles. 2018;(22):165– 75. https://doi.org/10.1007/s00792-017-0984-5

32. Politi M, Groves P, Chavez MI, Canada FJ, Jimeґnez-Barbero J. Useful applications of DOSY experiments for the study of mushroom polysaccharides. Carbohydrate Research. 2006;341(1):84–9. https://doi.org/10.1016/j.carres.2005.11.008

33. Ortner K, Sivanandam VN, Buchberger W, Müller N. Analysis of glycans in glycoproteins by diffusion-ordered nuclear magnetic resonance spectroscopy. Anal Bioanal Chem. 2007;388(1):173–7. https://doi.org/10.1007/s00216-007-1232-0

34. Yamanoi T, Oda Y, Katsuraya K. Separation of the αand β-anomers of carbohydrates by diffusion-ordered NMR spectroscopy. Magnetochemistry. 2017;3(4):38. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry3040038

35. Szejtli J. Cyclodextrin Technology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers; 1988. https://doi.org/10.1007/978-94-015-7797-7

36. Szejtli J, Osa T. Comprehensive Supramolecular Chemistry. 3. Cyclodextrins. Oxford: Pergamon; 1996.

37. Frömming KH, Szejtli J. Cyclodextrins in Pharmacy. Dordrecht: Kluwer Academic; 1994. https://doi.org/10.1007/978-94-015-8277-3

38. Rymdén R, Carlfors J, Stilbs P. Substrate binding to cyclodextrins in aqueous solution. A multicomponent self-diffusion study. J Incl Phenom Macrocycl Chem. 1983;(1):159–67. https://doi.org/10.1007/BF00656818

39. Wimmer R, Aachmann FL, Larsen KL, Petersen SB. NMR diffusion as a novel tool for measuring the association constant between cyclodextrin and guest molecules. Carbohydr Res. 2002;337(9):841–9. https://doi.org/10.1016/s0008-6215(02)00066-6

40. Bakkour Y, Vermeersch G, Morcellet M, Boschin F, MarteL B, Azaroual N. Formation of cyclodextrin inclusion complexes with doxycyclin-hyclate: NMR investigation of their characterisation and stability. J Incl Phenom Macrocycl Chem. 2006;54(1):109–14 https://doi.org/10.1007/s10847-005-5108-7

41. Kasprzak A, Poplawska M, Krawczyk H, Molchanov S, Kozlowski M, Bystrzejewski M. Novel non-covalent stable supramolecular ternary system comprising of cyclodextrin and branched polyethylenimine. J Incl Phenom Macrocycl Chem. 2017;87(1):53–65. https://doi.org/10.1007/s10847-016-0677-1

42. Danielsson J, Jarvet J, Damberg P, Gräslund A. Twosite binding of beta-cyclodextrin to the Alzheimer Abeta(1-40) peptide measured with combined PFG-NMR diffusion and induced chemical shifts. Biochemistry. 2004;43(20):6261–9. https://doi.org/10.1021/bi036254p

43. Ladiè R., Cosentino C., Tagliaro I, et al. Supramolecular structuring of hyaluronan-lactose-modified chitosan matrix: towards high-performance biopolymers with excellent biodegradation. Biomolecules. 2021;11(3):389. https://doi.org/10.3390/biom11030389

44. Senra TD, Khoukh A, Desbrières J. Interactions between quaternized chitosan and surfactant studied bydiffusion NMR and conductivity. Carbohydr Polym. 2017;156:182– 92. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.09.025

45. Peres I, Rocha S, Pereira MC, Coelho M, Rangel M, Ivanova G. NMR structural analysis of epigallocatechin gallate loaded polysaccharide Nanoparticles. Carbohydr Polym. 2010;82(3):861–6. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.06.007

46. Viel S, Capitani D, Mannina L, Segre A. Diffusion-ordered NMR spectroscopy: a versatile tool for the molecular weight determination of uncharged polysaccharides. Biomacromolecules. 2003;4(6):1843–7. https://doi.org/10.1021/bm0342638

47. Zhu Y, González-Ortiz G, Jiménez-Díaz R, Pérez-Trujillo M, Parella T, López-ColomP, et al. Exopolysaccharides from olive brines could reduce the adhesion of ETEC K88 to intestinal epithelial cells. Food Funct. 2018;(7):3884–94. https://doi.org/10.1039/C8FO00690C

48. Suárez ER, Syvitski R, Kralovec JA, Noseda MD, Barrow CJ, Ewart HS, et al. Immunostimulatory Polysaccharides from Chlorella pyrenoidosa. A new galactofuranan. measurement of molecular weight and molecular weight dispersion by DOSY NMR. Biomacromolecules. 2006;7(8):2368–76. https://doi.org/10.1021/bm060365x

49. Kao PF, Wang SH, Hung WT, Liao YH, Lin CM, Yang WB. Structural characterization and antioxidative activity of low-molecular-weights beta-1,3-glucan from the residue of extracted ganoderma lucidum fruiting bodies. J Biomed Biotechnol. 2012;2012:673764. https://doi.org/10.1155/2012/673764

50. Maina NH, Pitkänen L, Heikkinen S, Tuomainen P, Virkki L, Tenkanen M. Challenges in analysis of high-molar mass dextrans: Comparison of HPSEC, AsFlFFF and DOSY NMR spectroscopy. Carbohydr Polym. 2014;99:199–207. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.08.021

51. Maina N.H. Structure and macromolecular properties of Weissella confusa and Leuconostoc citreum dextrans with a potential application in sourdough. Ph.D. Dis. Helsinki: University of Helsinki; 2012.

52. Prieto A, Leal JA, Giménez-Abián MI, Canales A, Jiménez-Barbero J, Bernabé M. Isolation and structural determination of a unique polysaccharide containing mannofuranose from the cell wall of the fungus Acrospermum compressum. Glycoconj J. 2007;24(8):421–8. https://doi.org/10.1007/s10719-007-9032-5

53. Кузьмина НЕ, Моисеев СВ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Количественное определение средней молекулярной массы декстранов методом диффузионно упорядоченной спектроскопии ЯМР. Журнал аналитической химии. 2014;69(10):1047–53. https://doi.org/10.1134/S1061934814100086

54. Кузьмина НЕ, Моисеев СВ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Возможности применения метода диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР для количественной оценки средней молекулярной массы пуллуланов. Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. 2013;(4):8–11.

55. Кузьмина НЕ, Моисеев СВ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Определение средней молекулярной массы гидроксиэтилкрахмалов методом диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР. Журнал аналитической химии. 2015;70(1):30–6. https://doi.org/10.1134/S1061934815010086

56. Моисеев СВ, Кузьмина НЕ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Валидация методики определения средней молекулярной массы декстранов методом диффузионно-упорядоченной спектроскопии. Химико-фармацевтический журнал. 2017;51(9):60–3. https://doi.org/10.1007/s11094-017-1701-5

57. Моисеев СВ, Кузьмина НЕ, Лутцева АИ. Разработка методик определения средневесовой молекулярной массы полисахаридов методом диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР. В кн.: Актуальные проблемы биологической и химической экологии: материалы VII международной научно-практической конференции. Москва: ИИУ МГОУ; 2021. C. 336–41.

58. Маклаков АИ, Скирда ВД, Фаткуллин НФ. Самодиффузия в растворах и расплавах. Казань: Изд. Казанского государственного университета; 1987.

59. Моисеев СВ, Кузьмина НЕ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Определение параметров молекулярно-массового распределения декстранов методом диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР. Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. 2014;(2):9–15.

60. Кузьмина НЕ, Моисеев СВ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Определение параметров молекулярно-массового распределения гидроксиэтилкрахмалов методом диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР. Журнал аналитической химии, 2015;70(7):727–33. https://doi.org/10.1134/S1061934815070060

61. Wu DH, Chen AD, Johnson CS. An improved diffusion-ordered spectroscopy experiment incorporating bipolar-gradient pulses. J Magn Reson. 1995;115(2):260–4. https://doi.org/10.1006/jmra.1995.1176

62. Jerschow A, Müller N. Suppression of convection artifacts in stimulatedecho diffusion experiments. Double-stimulated-echo experiments. J Magn Reson. 1997;125(2):372– 5 https://doi.org/10.1006/jmre.1997.1123

63. Нефедов ПП, Лавренко ПН. Транспортные методы в аналитической химии полимеров. Л.: Химия; 1979.

64. Моисеев СВ, Кузьмина НЕ, Крылов ВИ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Влияние молярного замещения на подвижность макромолекул гидроксиэтилкрахмалов в растворе. Химико-фармацевтический журнал. 2016;50(1):53–6. https://doi.org/10.1007/s11094-016-1399-9

65. Кузьмина НЕ, Моисеев СВ, Крылов ВИ, Князькина ОВ, Яшкир ВА, Меркулов ВА. Модификация методики определения молярного замещения гидроксиэтилкрахмалов методом 1 Н ЯМР-спектроскопии. Химико-фармацевтический журнал. 2015;49(8):44–8. https://doi.org/10.1007/s11094-015-1327-4

66. Прокофьев ЕП, Юрин ОА. Определение степени замещения и молярного замещения в оксиэтилированных крахмалах методом ЯМР 1 Н. Химико-фармацевтический журнал. 1990;24(7):82–4.


Дополнительные файлы

Рецензия

Для цитирования:


Кузьмина Н.Е., Моисеев С.В., Северинова Е.Ю., Лутцева А.И. Применение метода диффузионно-упорядоченной спектроскопии ЯМР для анализа полисахаридов. Ведомости Научного центра экспертизы средств медицинского применения. Регуляторные исследования и экспертиза лекарственных средств. 2022;12(1):24-40. https://doi.org/10.30895/1991-2919-2022-12-1-24-40

For citation:


Kuz’mina N.E., Moiseev S.V., Severinova E.Yu., Luttseva A.I. Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy Application for Analysis of Polysaccharides. The Bulletin of the Scientific Centre for Expert Evaluation of Medicinal Products. Regulatory Research and Medicine Evaluation. 2022;12(1):24-40. (In Russ.) https://doi.org/10.30895/1991-2919-2022-12-1-24-40

Просмотров: 92


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1991-2919 (Print)
ISSN 2619-1172 (Online)