Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Все работы, осуществленные в 2022 г., были выполнены в полном соответствии с заявленным планом работ на год, а также с общим планом работ по проекту. В ходе выполнения проекта в 2022 г. был получен ряд важных результатов, позволивших получить новые сравнительные данные о ферментоподобной активности церийсодержащих материалов: фторида церия(III) и фторированного оксида церия(IV). Предложен ряд методов получения коллоидных растворов нанокристаллических CeF3 и CeO2:F, в том числе модифицированных цитрат-ионами. Впервые проанализировано поведение водных золей нанокристаллического диоксида церия в среде фторида аммония в гидротермальных условиях. Показано, что низкотемпературная гидротермальная обработка (120С) в растворе NH4F золей CeO2, предварительно стабилизированных цитратом аммония, приводит к формированию агрегативно устойчивых (|ζ-потенциал| > 30 мВ) коллоидных растворов CeF3. Подобная трансформация CeO2 в CeF3 в мягких условиях ранее не описана в литературе. В отсутствие цитрат-ионов в реакционной смеси формирования CeF3 в аналогичных условиях не происходит, фазовый состав золей соответствует CeO2. Анализ оптических характеристик и химического состава полученных церийсодержащих материалов продемонстрировал возможность изменения состава кислородной подрешетки СеО2 с образованием СеО2:F. Все полученные наноматериалы – как CeF3, так и СеО2:F, – обладают низкой фотокаталитической активностью. Установлено, что CeF3 является перспективным УФ-протекторным материалом (степень фотоиндуцированного разложения органического красителя в присутствии CeF3 составила менее 1%). Проведен сравнительный анализ взаимодействия нанокристаллического CeO2 и CeF3 с биологически важными активными формами кислорода – пероксидом водорода и супероксидным анион-радикалом. Выявлено, что коллоидные растворы CeF3, полученные гидротермальной обработкой золей CeO2, проявляют выраженную пероксидазоподобную активность. Установлено, что пероксидазоподобная активность золей CeF3 и золей CeO2 количественно сопоставима, хотя механизм ферментоподобной активности данных наноматериалов может быть различным. Сравнение прооксидантной активности золей CeF3 и СеО2:F с гемоглобином (дезоксигемоглобин) показало они могут быть охарактеризованы как мягкие оксиданты. Исследована биохимическая активность нанокристаллического CeF3, в том числе стабилизированного биосовместимыми лигандами (цитрат аммония, декстран), и нанокристаллического CeO2:F в модели генерации супероксидных анион-радикалов. Показано, что присутствие водного золя CeF3 в АФК-генерирующей системе вызывает дозозависимое снижение интенсивности хемилюминесценции относительно контрольного уровня. Цитрат-стабилизированные золи CeF3 характеризуются более выраженными СОД-подобными свойствами по сравнению с нестабилизированными золями CeF3. Стабилизация наночастиц CeF3 декстраном усиливает радикал-перехватывающую активность материала по отношению к •О2–. Установлено, что золи CeO2:F проявляют менее выраженную СОД-подобную активность по сравнению с нефторированным СеО2. Проведен комплексный анализ цитотоксичности и биологической активности наночастиц CeF3 и CeO2:F на культурах мезенхимальных стволовых клеток (МСК) человека, который показал высокий уровень биосовместимости указанных наноматериалов. CeF3 и CeO2:F в диапазоне концентраций 0.125–0.5мМ не оказывали негативного действия на МСК человека, сохранялся высокий уровень метаболической активности клеток и высокие значения мембранного митохондриального потенциала. В отношении культуры клеток остеосаркомы человека (MNNG/Hos) наноматериалы проявили селективную цитотоксичность, что выражалось в снижении метаболической активности трансформированных клеток при концентрациях наночастиц, при которых МСК человека сохраняли высокую активность. Наночастицы CeF3 оказали незначительное негативное влияние на клетки MNNG/Hos в концентрациях от 0.25 до 1 мМ. Наночастицы CeO2:F на первых этапах сокультивирования (48 ч) оказывают стимулирующее действие на пролиферацию клеток остеосаркомы, однако после длительного сокультивирования (72 ч) угнета.n метаболическую активность раковых клеток. Индекс селективности для наночастиц СeF3 составил 1.12, для CeO2:F – 1.24. Значения IC 50 для наночастиц CeF3 и CeO2:F существенно превышают 1 мМ – максимальную концентрацию, использованную при комплексном анализе биосовместимости. Разработана экспериментальная модель окислительного стресса с использованием пероксида водорода (H2O2) на культуре МСК человека. Анализ цитопротекторного действия наночастиц CeF3 и CeO2:F на культуре МСК человека в модели окислительного стресса показал, что предобработка МСК наночастицами CeF3 обеспечивает сохранение высокого уровня метаболической активности и митохондриального потенциала, обеспечивает снижение количества мертвых клеток до контрольных значений (менее 5%). Наночастицы CeF3 проявляют выраженные антиоксидантные свойства в отношении мезенхимальных стволовых клеток человека, модулируя уровень экспрессии ключевых редокс-чувствительных генов. Наночастицы CeO2:F не являются токсичными для МСК человека, однако и не проявляет протекторных свойств в модели окислительного стресса, индуцированного пероксидом водорода. Впервые проанализировано поведение тетрафторида церия в водных растворах (в т.ч. в кислых – HF – и щелочных – NaOH, KOH) в широком диапазоне температур (80–220С), а также в среде диметилсульфоксида и в смешанных растворах диметилсульфоксид-вода. Показано, что при выдерживании в воде двухфазного детрафторида церия (CeF4.хH2O и CeF4H2O) при 20оС фазовый состав материала не изменяется, а в результате выдерживания при 90оС содержание CeF4H2O существенно увеличивается. Выдерживание тетрафторида церия в водных растворах КОН приводит к образованию диоксида церия CeO2 и KCeF4. Установлено, что гидротермальная обработка CeF4H2O при 130оС в течение суток приводит к формированию кристаллического γ-Се3F10Н2О, являющегося первым примером редкоземельного фторида, изоструктурного γ-(ThLn2F10)(H2O). Определены условия синтеза γ-Се3F10Н2О в однофазном состоянии. Показано, что нагрев γ-Се3F10Н2О в гидротермальных условиях до температуры 220С приводит к разложению данного соединения и формированию трифторида церия. Гидротермальная обработка CeF4H2O в водном растворе NaOH при 130–220оС приводит к образованию диоксида церия СеО2 с размером частиц в диапазоне 5–15 нм. Гидротермальная обработка CeF4H2O в водном растворе HF при 130оС приводит к образованию двух соединений – γ-Ce3F10H2O и CeF3. Гидротермальная обработка CeF4H2O в водном растворе HF при 220оС приводит к образованию нового соединения, фазовый состав которого не удалось идентифицировать. Гидротермальной (220С) обработкой CeF4H2O в водном растворе сульфата аммония получен однофазный оксофторид церия-аммония состава NH4Ce3OF11 (параметры элементарной ячейки а = 7.913(1) Å, с=8.135(1)Å). В результате взаимодействия CeF4H2O с ДМСО в гидротермальных условиях образуется неизвестное ранее соединение CeF4(Ме2SO)H2O. Методом ЯМР 19F{H} изучено строение комплексов церия(IV) в маточном растворе после гидротермального синтеза и установлено присутствие в нем изомерных комплексов церия(IV), имеющих координационное число 8 и конфигурацию искаженной квадратной антипризмы – катиона [CeF3(Me2SO)5]+ и аддукта [CeF4(Me2SO)4]. В результате гидротермальной обработки CeF4H2O в смесях ДМСО-Н2О также формируется неизвестное соединение, вероятнее всего имеющее состав [СеF4(Ме2SO)(H2O)2]H2O.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Все работы, осуществленные в 2023 г., были выполнены в полном соответствии с заявленным планом работ на год, а также с общим планом работ по проекту. В ходе выполнения проекта в 2023 г. был получен ряд важных результатов, позволивших получить новые сравнительные данные о радикал-перехватывающих свойствах и ферментоподобной активности фторида церия(III) и фторированного оксида церия(IV), а также их композитов с нанокристаллической целлюлозой. Наиболее значимые результаты приведены ниже. 1. Предложен метод получения седиментационно устойчивых коллоидных растворов композитов трифторида церия и нанокристаллической целлюлозы. Полученные коллоидные растворы сохраняют стабильность в течение 1–3 мес. Разработан метод синтеза композитных небиодеградируемых полиэлектролитных (полиаллиламин и полистирол сульфонат) микрокапсул, содержащих иммобилизованные в оболочке наночастицы фторида церия и фторированного диоксида церия. Предложенная схема иммобилизации наночастиц позволяет избежать их вымывания из микрокапсул на стадии удаления карбонатного ядра. Хемилюминесцентным методом показано, что композиты фторида церия(III) и нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) обладают антиоксидантной активностью по отношению к алкилпероксильным радикалам. Антиоксидантная емкость композита CeF3@НКЦ примерно в 1.8 раза выше аналогичной характеристики индивидуальных компонентов – фторида церия(III) и нанокристаллической целлюлозы. Существенное влияние на результаты изменения антиоксидантной активности наноматериалов на основе фторида церия(III) по отношению к алкилпероксильным радикалам оказывает химический состав буферного раствора, в котором происходит измерение (на примере PBS и Tris-HCl). Показано, что золи диоксида церия, синтезированные в диапазоне температур 20–80°С, проявляют пероксидазоподобную активность, при этом с увеличением температуры синтеза золя энзимоподобная активность нанокристаллического СеО2 по отношению к пероксиду водорода снижается в 2.5 раза. Установлено, что фторирование диоксида церия в результате гидротермальной обработка золя СеО2 в присутствии фторид-анионов приводит к снижению на порядок антиоксидантной активности диоксида церия. Сравнительный анализ антиоксидантной активности полученных церийсодержащих соединений со стандартным антиоксидантом тролоксом показал, что антиоксидантная активность фторида церия(III) на три порядка (в фосфатном буферном растворе) и на два порядка (в буферном растворе Tris-HCl) меньше активности тролокса. 2. Впервые продемонстрировано влияние церийсодержащих наноматериалов (CeO2, CeF3, CeO2:F) на неспецифический иммунный ответ. Установлено, что модулирующее действие церийсодержащих наноматериалов (CeO2, CeF3, CeO2:F) по отношению к функциональной (радикал-продуцирующей) активности нейтрофилов может проявляться как в виде усиления, так и в виде ингибирования генерации свободных радикалов клетками крови. Методом люминол-активированной хемилюминесценции показано, что церийсодержащие наноматериалы (CeO2, CeF3, CeO2:F) активируют продукцию нейтрофилами пероксида водорода и активных форм хлора. При этом активирующее влияние исследуемых наноматериалов на радикал-продуцирующую функцию нейтрофилов значительно меньше по сравнению с искусственными стимулами клеток, 4α-форбол-12-миристат-13-ацетатом (ФМА, праймер) и N-формилметионил-лейцил-фенилаланином (фМЛФ, основной стимул). Взаимодействие нейтрофилов с коллоидными растворами СеО2 и CeO2:F дополнительно усиливает радикал-продуцирующую функцию клеток крови, стимулированную комбинированным действием ФМА и фМЛФ (ФМА+фМЛФ-стимулированная хемилюминесценция). Напротив, наночастицы CeF3 оказывают супрессорное действие на ФМА+фМЛФ-стимулированную хемилюминесценцию нейтрофилов. Методом люцигенин-активированной хемилюминесценции показано, что церийсодержащие наноматериалы (CeO2, CeF3, CeO2:F) оказывают супрессорное действие на продукцию нейтрофилами крови супероксидных анион-радикалов. Установлено, что предварительное взаимодействие нейтрофилов с коллоидным раствором СеО2 оказывает супрессорное действие на функциональную активность клеток крови, в том числе индуцированную искусственным стимулом ФМА (ФМА-стимулированная хемилюминесценция). Фторированный оксид церия оказывает разнонаправленное действие на ФМА-стимулированную хемилюминесценцию (СеО2:F 1:1 и 1:10 – активация, 1:5 – супрессия), а золь CeF3 практически не влияет на неспецифический иммунный ответ, индуцированный ФМА. 3. Показано отсутствие токсического действия наночастиц CeF3 и СeO2:F по отношению к плоским червям (S. mediterranea) и млекопитающим (беспородные самцы мышей SHK). Морфологический анализ тела планарий не выявил патологических изменений после инкубации с наночастицами (10-4 и 10-5 М, 1 сут). Аналогичным образом, инкубация с наночастицами не приводила к достоверным изменениям двигательной активности планарий. По отношению к самцам мышей SHK наночастицы CeF3 и СeO2:F в концентрации 100 мкг/кг через 14 сут после их внутрибрюшинного введения, не вызывали гипертермии, нарушения поведенческих реакций, изменений гематологического профиля, массы тела, индекса массы органов животных. Внутрибрюшинное введение наночастиц CeF3 в количестве 200 мкг/кг приводило к умеренному токсическому эффекту, но не нарушало гематологический профиль. При внутрибрюшинном введении наночастиц CeO2:F (200 мкг/кг) наблюдалась модуляция гематологического профиля и изменение лейкоцитарной формулы, что указывало на нарушения метаболизма или развитие воспалительных реакций. 4. Впервые проведен анализ продуктов взаимодействия гидратированного фторида церия(IV) CeF4H2O с азот- и фосфор-содержащими лигандами (α,α‘-дипиридилом и дифенилфосфиновой кислотой) в диметилсульфоксиде. Методами ЯМР 19F показано существование динамического равновесия между моноядерными фторсульфоксидными комплексами церия(IV) [CeFn(dmso)8-n]4-n и новыми молекулярными комплексами тетрафторида церия [CeF4(α,α‘-dipy)2] и [CeF4(α,α‘-dipy)(dmso)2]. Методом квантовохомических расчетов проанализирована структура возможных стереоизомеров комплекса [CeF4(α,α‘-dipy)2], показано, что существует единственный стабильный изомер с симметрией D2d, в котором атомы фтора образуют искаженный (сплюснутый) тетраэдр. В стабильном изомере все расстояния Ce–F равны 2.12 Å, расстояния Ce–N равны 2.71 Å, углы N–Ce–N равны 59.9. Определена структура единственного стабильного изомера CeF4, содержащего в координационной сфере молекулу α,α‘-дипиридила и две молекулы DMSO состава [CeF4(α,α’-dipy)(dmso)2] (симметрия D2d), в котором длины связей Ce–N составляют 2.541 и 2.544 Å, длины связей Ce–F составляют 2.102 и 2.187 Å. Синтезировано первое соединение тетрафторида церия с фосфорорганическим лигандом – дифенилфосфиновой кислотой. Результаты анализа позволили установить его состав – CeF2(Ph2POO)2DMSO. Методом ИК-спектроскопии показана координация P=O групп Ph2POOH к атому церия. Методом ЯМР 19F{1H} установлена эквивалентность атомов фтора в структуре [CeF2(Ph2PO2)2]dmso (синглет ~200 м.д. ). Проанализированы продукты взаимодействия CeF4H2O с дифенилфосфиновой кислотой в смеси ДМСО–ацетонитрил методом ЯМР 19F{1H}. Установлено, что в растворе существует равновесие между изомерами восьмикоординационных комплексов церия(IV) с ДМСО состава [CeFn(dmso)8-n]4-n и новым фторидным комплексом церия(IV), в котором атом церия имеет октаэдрическое окружение. Имеющиеся данные позволили заключить, что в растворе присутствует комплекс фторида церия(IV) состава [F3Се(µ-Ph2PO2)3Се(µ-Ph2PO2)3СеF3], структура которого аналогичная трехядерным комплексам циркония и гафния [F3М(µ-Ph2PO2)3М(µ-Ph2PO2)3МF3] (M=Zr, Hf). Показана возможность существования смешаннокатионных комплексов состава [F3М(µ-Ph2PO2)3М(µ-Ph2PO2)3МF3], что позволяет судить о возможности использования неводных растворов координационных соединений церия с дифенилфосфоновой кислотой для очистки природных и сточных вод от актинидов.