Жидкостная хроматография в медицине

ХИМИЯ ЖИДКОСТНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ В МЕДИЦИНЕ А. А. КАРЦОВА Санкт-Петербургский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

LIQUID CHROMATOGRAPHY IN MEDICINE А. А. KARTSOVA

Liquid Chromatography (LC ) finds widespread application as a very rapid and selective analytical method for the separation and the identification of different substances. A brief historical introduction, the classification of the main types of LC and modern directions of its usage in medicine are given.

© Карцова А.А., 2000

Жидкостная хроматография находит широкое применение в качестве экспрессного и селективного аналитического метода при разделении и идентификации различных веществ. В статье представлены краткое историческое введение, классификация основных типов жидкостной хроматографии и современные направления ее использования в медицине.

www.issep.rssi.ru

Хроматография как эффективный метод разделения и исследования состава сложных многокомпонентных смесей родилась в начале ХХ века и к настоящему времени сформировалась в самостоятельную научную дисциплину, изучающую распределение химических соединений в системе двух контактирующих несмешивающихся фаз, из которых, как правило, одна – подвижная, перемещается относительно другой – неподвижной [1]. Химики, экологи, медики, криминалисты в настоящее время не могут обойтись без применения в своей работе хроматографических методов, используемых для ранней диагностики заболеваний, изучения метаболизма лекарств и пищевых продуктов. Анализ компонентов запахов, органических загрязнителей в атмосфере городов, допинговый контроль на спортивных олимпиадах, поиск психотропных веществ в организме человека – все это под силу хроматографии. В последние годы разработаны специальные методики хроматографического анализа содержимого одной клетки, методики для расшифровки компонентов ДНК (международный проект “Геном человека”). ИЗ ИСТОРИИ ХРОМАТОГРАФИИ Рождение хроматографического метода анализа связывают с именем русского ботаника Михаила Семеновича Цвета (1872–1919), который в 1902–1903 годах после серии предварительных экспериментов достиг разделения сложной смеси растительных пигментов при пропускании петролейно-эфирной вытяжки из листьев растений через стеклянную колонку, заполненную порошкообразным карбонатом кальция. В чем же суть эксперимента, поставленного ученым? В стеклянную трубку с сорбентом М.С. Цвет вносил некоторое количество спиртовой вытяжки красящих пигментов зеленых листьев. Верхняя часть сорбента, находящегося в стеклянной колонке, приобретала интенсивно зеленый цвет. Затем через колонку Цвет пропускал подвижную фазу. Растворяясь в ней, компоненты исследуемой смеси экстрагируются и продвигаются

К А Р Ц О В А А . А . Ж И Д К О С Т Н А Я Х Р О М А Т О Г РА Ф И Я В М Е Д И Ц И Н Е

35

ХИМИЯ

Изменяя природу растворителя, оказалось возможным регулировать степень распределения зон по слою адсорбента: сдвигать или раздвигать их, способствуя большей селективности анализа. Таким образом, характер распределения разделяемых соединений между подвижной фазой (элюентом) и неподвижной (адсорбентом) определяется природой всех участников хроматографического процесса. Не оцененные современниками исследования М.С. Цвета послужили мощным стимулом к дальнейшему развитию хроматографии на протяжении XX века. Заметной вехой явилось создание в 1938 году варианта тонкослойной хроматографии. Советские химики Н.А. Измайлов и М.С. Шрайбер осуществили разделение веществ природного происхождения, используя а

Середина 70-х годов XX века ознаменована рождением высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Появились первые жидкостные хроматографы. Блок-схема такого прибора представлена на рис. 2. Жидкостная хроматография (ЖХ) в ее классическом варианте (при атмосферном давлении) и высокоскоростная, или ВЭЖХ при повышенном давлении – оптимальный метод анализа химически и термически нестойких молекул, высокомолекулярных веществ с пониженной летучестью, что объясняется особой ролью подвижной фазы: в отличие от газообразной элюент в ЖХ выполняет не только транспортную функцию.

Подвижная фаза

Насосная система

Инжектор

Самописец

Детектор

а

Интегратор Система обработки данных

б

б

Рис. 1. Опыт М.С. Цвета: а – до пропускания через хроматографическую колонку подвижной фазы; б – после пропускания подвижной фазы

36

хроматографическую систему, где сорбент был помещен не в колонку, а распределен в виде тонкого слоя на стеклянной пластинке (“открытая колонка”). Объектами служили белладонна, красный перец, строфантин, валериана. Растворы анализируемых образцов стеклянным капилляром наносили на стартовую линию пластины, затем пластинку помещали в специальную камеру с подвижной фазой [3].

Колонка

по колонке, сорбируясь новыми порциями сорбента. Вещества различной химической природы перемещаются по слою сорбента с разными скоростями за счет различного распределения компонентов анализируемой смеси между подвижной и неподвижной фазами, образовав в итоге четко разделенные окрашенные зоны (рис. 1). Цвет отмечал: “Если петролейно-эфирный раствор хлорофилла профильтровать через столбик адсорбента…, то пигменты по расположению их в адсорбционном ряду отличаются отдельными окрашенными зонами… Получаемый таким образом препарат я называю хроматограммой, а предлагаемую методику – хроматографической”. Так впервые прозвучало слово “хроматография” (от греч. хроматос – цвет, окраска и графио – пишу, описываю). Если подвижная фаза – жидкость, говорят о жидкостной хроматографии (о газовой хроматографии и ее использовании в медицине см. [2]).

Рис. 2. Блок-схема жидкостного хроматографа (а) и общий вид жидкостного хроматографа (б)

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 1 , 2 0 0 0

ХИМИЯ Природа и строение компонентов подвижной фазы контролируют хроматографическое поведение разделяемых веществ. Среди наиболее типичных объектов жидкостной хроматографии белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, красители, полисахариды, взрывчатые вещества, лекарственные препараты, метаболиты растений и животных. ВИДЫ ЖИДКОСТНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ Жидкостная хроматография, в свою очередь, разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счет их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, или распределительную (разделение осуществляется за счет различной растворимости в подвижной фазе – элюенте и неподвижной фазе, физически сорбированной или химически привитой к поверхности твердого адсорбента), ионообменную хроматографию, где разделение достигается за счет обратимого взаимодействия анализируемых ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента – ионита. Ионообменная хроматография наряду с другими областями ее использования играет большую роль в производстве антибиотиков: стрептомицина, тетрациклина, синтетического пенициллина. В основу одной из разновидностей ЖХ – ион-парной (ИПХ) положены принципы классической экстракции ионных веществ из водной в органическую фазу в виде ионных пар. Для этого в подвижную фазу добавляется противоион, способный вступать в селективное комплексообразование с анализируемыми компонентами с образованием ионной пары. Основные преимущества такого варианта заключаются в том, что одновременно могут быть проанализированы вещества кислотного, основного и нейтрального характера. При выборе условий разделения необходимо учитывать молекулярную массу компонентов образца, их полярность и природу сопутствующих соединений. Если молекулярная масса превышает 2000 у.е., то обычно обращаются к методу эксклюзионной, или гель-хроматографии. Во всех остальных случаях решение задачи разделения многокомпонентной смеси возможно в принципе осуществить методами адсорбционной или распределительной ЖХ в нормально- или обращеннофазовом варианте (ОФ)1. Нормально-фазовый режим предпочтителен, если анализируемые вещества содержат различные функциональные группы. При этом имеют значение количество функциональных групп, спо1 Нормально-фазовым называют такой режим, когда полярность неподвижной фазы больше полярности подвижной, в случае обращенно-фазового режима – ситуация противоположная.

собность анализируемых соединений к образованию водородных связей, строение (например, цис-транс-изомерия). Если вещества обладают слабым сродством к подвижной фазе, то используют активные слои сорбента и слабо полярные растворители. К ОФ-хроматографии прибегают при разделении гомологов, сильно полярных веществ, анализ которых на полярных сорбентах неэффективен, а также соединений, сродство которых к полярной неподвижной фазе незначительно. По оценкам авторитетных специалистов, 70% хроматографических анализов проводят методом ОФ ВЭЖХ; разработаны и внедрены сорбенты на основе силикагеля с химически привитыми алкильными радикалами. Чаще всего применяют сорбенты с С8- и С18-группами, стабильные в водных растворах в интервале рН 2–8. Этим объясняется их эффективное использование при анализе биологических объектов. Методом ОФ ВЭЖХ осуществляется определение важнейших нейромедиаторов (от лат. mediator – посредник; медиаторы передают информацию в живом организме, меняя ионную проницаемость наружных клеточных мембран) в плазме крови, спинномозговой жидкости, что имеет большое значение для диагностики различных заболеваний мозга (паркинсонизм, эпилепсия, шизофрения, болезнь Альцгеймера). Времена выхода компонентов, отсчитываемые от момента ввода пробы до регистрации вершины хроматографического пика, или, иначе, объемы подвижной фазы, затраченные на перенос через колонку каждого компонента, дают качественную характеристику анализируемых веществ (рис. 3). Сопоставление площадей (или высот) хроматографических пиков позволяет выполнять количественные определения. Особое место в использовании методов жидкостной хроматографии в медицине занимают эксклюзи-

tr1

tr2

tr3

Рис. 3. Типичная хроматограмма трехкомпонентной смеси: t r1 – время удержания первого компонента, t r2 – время удержания второго компонента, t r3 – время удержания третьего компонента

К А Р Ц О В А А . А . Ж И Д К О С Т Н А Я Х Р О М А Т О Г РА Ф И Я В М Е Д И Ц И Н Е

37

ХИМИЯ онная, или гель-хроматография и аффинная, или биоспецифическая. ЭКСКЛЮЗИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ В основе этого варианта ЖХ лежит принцип разделения смеси веществ по их молекулярным массам. В эксклюзионной (от англ. exclusion – исключение; устаревшее название – ситовая) хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счет их различной способности проникать в поры сорбента. Подвижная фаза – жидкость, а неподвижная – та же жидкость, заполнившая поры сорбента (геля). Если молекулам анализируемого вещества недоступны эти поры, то соответствующее соединение выйдет из колонки раньше, чем то, у которого размеры молекул меньше. Молекулы или ионы, размеры которых находятся между максимальным и минимальным диаметром пор геля, разделяются на отдельные зоны. С помощью этого вида хроматографии в Институте вирусологии в Москве в 1990 году был выделен вирус СПИДа. Особенно интенсивное развитие эксклюзионная хроматография получила в последние два десятилетия, чему способствовало внедрение в химическую и биохимическую практику сефадексов – декстрановых гелей, поперечно сшитых эпихлоргидрином. На различных типах сефадексов можно фракционировать химические вещества с различными молекулярными массами, поэтому их широко используют для выделения и очистки биополимеров, пептидов, олиго- и полисахаридов, нуклеиновых кислот и даже клеток (лимфоцитов, эритроцитов), в промышленном производстве различных белковых препаратов, в частности ферментов и гормонов. Были не только выделены и исследованы ранее неизученные белки, но и получена информация, заставившая пересмотреть некоторые традиционные представления. Так, при гель-фильтрации образцов плазмы крови животных и человека оказалось, что ростовые вещества выходят из колонки в основном не тогда, когда их ожидают согласно молекулярной массе (6–8 тыс. дальтон), а значительно раньше, то есть в одной фракции с высокомолекулярными белками. Выяснилось, что крупные пептиды, подобно низкомолекулярным веществам, могут циркулировать в крови в комплексе с белком-носителем. Это явление имеет важное физиологическое значение, и нарушение по каким-либо причинам биосинтеза белка-носителя приводит к серьезным патологиям. Сообщалось еще об одном интересном явлении, связанном с белковыми гормонами и обнаруженном в режиме эксклюзионной хроматографии. Установлено, что мономер гормона соматотропина (гормон роста), белка с молекулярной массой 21 тыс. дальтон, через несколько минут после его введения человеку или животному перераспределя-

38

ется в крови по белковым фракциям с молекулярной массой вплоть до 100 тыс. дальтон. Причиной могут быть связывание его с каким-либо транспортным белком или собственная агрегация. Для другого гормона – кортикотропина, регулирующего функции надпочечников, перераспределение по фракциям сопровождается изменением биологической активности. Все это удалось выяснить благодаря гель-хроматографии. АФФИННАЯ, ИЛИ БИОСПЕЦИФИЧЕСКАЯ, ХРОМАТОГРАФИЯ Особое место в жидкостной хроматографии занимает так называемая аффинная, или биоспецифическая, хроматография (от англ. affinity – сродство). Аффинная хроматография (АХ) основана на исключительной способности биологически активных веществ связывать специфически и обратимо другие вещества. Научные основы метода заложены в 1951 году в США, хотя первые экспериментальные указания на большие потенциальные возможности АХ были получены еще в 1910 году. Штаркенштейном, использовавшим крахмал для выделения амилазы. В основе АХ лежит уникальное свойство биологически активных соединений узнавать строго определенные вещества, в процессе которого реализуется так называемый принцип молекулярного распознавания. Фермент узнает свой субстрат, антиген – антитело, гормон – рецептор. Как правило, каждый фермент катализирует определенный тип реакции. Возникновение соответствующего комплекса фермент – субстрат обусловлено строгим соответствием структур обоих участников комплексообразования. Процесс разделения веществ с использованием АХ включает несколько самостоятельных этапов. Хроматографическую колонку заполняют носителем, ковалентно связанным с каким-либо биологически активным веществом (называемым аффинантом, или лигандом). В качестве носителей в АХ получили широкое распространение гранулированные гели агарозы и полиакриламида (биогель Р), полистирольные смолы с химически активными группами, целлюлоза и ее производные и т.д. Затем через колонку пропускают анализируемую смесь веществ, к одному из которых иммобилизованный лиганд обладает биологическим сродством. Выбирая из смеси требуемое соединение, аффинант образует с ним комплекс. Остальные компоненты пройдут через колонку, не задерживаясь [4]. Специфически адсорбированный фермент может быть освобожден из комплекса изменением природы элюента, рН или ионной силы. На рис. 4 представлены основные этапы аффиной хроматографии. Лигандами могут служить самые различные соединения: белки, пептиды, аминокислоты, витамины, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, углеводы и многие другие вещества.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 1 , 2 0 0 0

ХИМИЯ 1

кислоты в качестве лигандов по их концевой свободной α-аминогруппе.

+

OCONH2 OH O C NH O

BrCN

OH OH 2

O C NH O

3

O C N R O O C NH R

H2N–R

NH O C NH R O Схема 1

4

РАЗДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Рис. 4. Основные этапы аффинной хроматографии: 1 – подготовка сорбента для аффинной хроматографии: иммобилизация лиганда на поверхности носителя; 2 – дозирование в хроматографическую колонку анализируемой смеси; 3 – элюирование (подача подвижной фазы), в процессе которого происходит специфическое связывание лигандом требуемого компонента; 4 – замена подвижной фазы для разрушения комплекса и выделения связанного биологически активного вещества

Иммобилизации лиганда на поверхности носителя обычно предшествует стадия его активации, то есть формирование реакционноспособных групп, взаимодействующих с лигандами. Непосредственное ковалентное связывание осуществляется редко, особенно если молекулы лиганда небольшие по размеру, что вызвано стерическими препятствиями из-за близкого расположения химически активных групп носителя. Для того чтобы погасить этот неблагоприятный эффект, связывание молекулы лиганда с поверхностью осуществляют через удлиняющий мостик, представляющий собой алифатическую цепочку из 2–10 атомов углерода. Активные группы носителя, оставшиеся несвязанными, блокируют соответствующими химическими агентами. Наиболее распространенный способ активации носителей, содержащих поверхностные гидроксильные группы, – обработка бромцианом в щелочной среде (рН ∼ 11) (схема 1). Образующиеся в результате имидокарбонатные группы легко присоединяют белки, пептиды и амино-

Оптически активные соединения играют исключительно важную роль во многих биологических процессах, их исследование имеет принципиальное значение для контроля оптической чистоты производимых лекарственных средств, разделения рацематов. Эти соединения интересуют химиков с того момента, как выяснилась уникальная способность природы создавать подобные объекты. Энантиомеры различаются физиологическим действием, вкусом, запахом. Известны примеры хиральной дискриминации в физиологических реакциях, которые дают гормоны. Многочисленные лекарственные средства являются синтетическими рацемическими соединениями, получающимися в результате синтеза. Трагический пример – применение седативного и снотворного средства талидомида.

O

H

H

N O O (S)-(−)

O N

N H

O

O

N O O H (R)-(+)

Широкое его распространение в начале 60-х годов – причина серьезных уродств у новорожденных, матери которых принимали препарат на ранних стадиях беременности. В 1979 году выяснилось, что тератогенный (от греч. teratos – чудовище, урод) эффект проявляет только (S)-(−)-изомер, не обладая седативным (от лат. sedatio – успокоение) действием. Отсюда понятен интерес к методам разделения рацематов на оптические

К А Р Ц О В А А . А . Ж И Д К О С Т Н А Я Х Р О М А Т О Г РА Ф И Я В М Е Д И Ц И Н Е

39

ХИМИЯ антиподы. При использовании хирального “хозяина” можно разделить энантиомерные гостевые молекулы. Этот принцип используется в некоторых методах жидкостной хроматографии. Можно реализовать два варианта: хиральная неподвижная фаза и ахиральная подвижная и наоборот. Созданы сорбенты на основе синтетических полимеров с хиральными группами – фрагментами оптически активных аминов или аминокислот. На колонках с подобными сорбентами осуществляется энантиоселективное, полупрепаративное (от 1 до 250 мг) разделение лекарственных препаратов. Хиральное распознавание возможно также и на основе только стерического соответствия, то есть возможно создание “хиральных пустот”, допускающих преимущественное вхождение в них лишь одного из двух энантиомеров. Идея состоит в том, чтобы созданная жесткая хиральная полость в полимерной сетке обеспечила приемлемое окружение для одного из двух энантиомеров. Примерами, где стерическое соответствие имеет первостепенное значение, являются, например, фазы на основе краун-соединений или циклодекстринов. Этот прием можно сравнить с созданием гипсового слепка с оригинала (метод молекулярного отпечатка). Целесообразность получения синтетическим путем полимерной сетчатой структуры, пустоты которой подходили бы только одному из двух энантиомеров, отмечалась еще в 1949 году Полингом. Это своего рода имитация активного центра фермента. Важной областью применения хирального аминокислотного анализа является определение строения многих микробиологических объектов, например таких, как полипептидные антибиотики, в состав которых входят D-аминокислоты, не обнаруженные у млекопитающих.

ЛИТЕРАТУРА 1. Столяров Б.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г., Карцова А.А. Практическая газовая и жидкостная хроматография. СПб.: Изд-во С.-Петербург. ун-та, 1998. 610 c. 2. Зеленин К.Н. Газовая хроматография в медицине // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 11. С. 20–25. 3. Евгеньева И.И. Планарная хроматография и анализ органических веществ // Там же. 1999. № 11. С. 50–55. 4. Алленмарк С. Хроматографическое разделение энантиомеров. М.: Мир, 1991. 268 с.

Рецензент статьи Г.В. Лисичкин ***

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Начало ХХ века ознаменовалось открытием хроматографического метода анализа, обогатившего и объединившего различные области науки, без которых немыслим научный прогресс XXI века. Внедрение хроматографических методов, и в первую очередь жидкостной хроматографии, в медицину позволило решить многие жизненно важные проблемы: исследование степени чистоты и стабильности лекарственных средств, пре-

40

паративное выделение индивидуальных гормональных препаратов (например, инсулина, интерферона), количественное определение в биологических объектах нейромедиаторов: адреналина, норадреналина. С наличием этих веществ в живом организме связывают способность к запоминанию, обучению, приобретению каких-либо навыков. Идентификация методами ВЭЖХ стероидов, аминокислот, аминов и других соединений оказалась крайне важной при диагностике некоторых наследственных заболеваний: инфаркта миокарда, диабета, различных заболеваний нервной системы. Одной из актуальных задач клинической медицины для экспресс-диагностики является проведение так называемого профильного анализа компонентов биологического объекта, осуществляемого методами ЖХ, что позволяет не проводить идентификацию каждого пика, а сопоставлять профили хроматограмм для заключения о норме или патологии. Обработка огромного массива информации осуществляется только с использованием ЭВМ (метод получил название “метод распознавания образов”).

Анна Алексеевна Карцова, кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, преподаватель химии академической гимназии СПбГУ. Область научных интересов – хроматографический анализ биологических объектов, комплексообразование в хроматографии, супрамолекулярная химия. Автор более 100 научных публикаций, шести учебных пособий и одной монографии.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 1 , 2 0 0 0