Zastosowanie spektroskopii EPR w badaniach jakościowych i ilościowych centrów paramagnetycznych melanin

• Authors: Ewa Chodurek , Barbara Barbara

Title variants

EN

Application of EPR spectroscopy in qualitative and quantitative examinations of paramagnetic centers in melanin

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (electron paramagnetic resonance – EPR) jest metodą przydatną w biologii i medycynie do badania substancji paramagnetycznych, ich roli w procesach chorobowych oraz terapii. Celem pracy jest przedstawienie podstaw fizycznych spektroskopii EPR oraz dokonanie przeglądu zastosowań metody EPR do badań jakościowych i ilościowych centrów paramagnetycznych melanin. Omówiono możliwości spektroskopii EPR i procedury eksperymentalne stosowane do wyznaczenia rodzajów centrów paramagnetycznych występujących w melaninach syntetycznych oraz w biopolimerach melaninowych. Parametrem spektroskopowym przydatnym do określenia rodzaju centrów paramagnetycznych jest współczynnik rozszczepienia spektroskopowego g, który zależy od lokalizacji niesparowanego elektronu w cząsteczce. W melaninach występują o-semichinonowe wolne rodniki o spinie S = 1/2 oraz birodniki o spinie S = 1. Wolne rodniki i birodniki można odróżnić spektroskopowo poprzez analizy wpływu temperatury pomiaru na intensywność integralną linii EPR. Koncentracja centrów paramagnetycznych w melaninie jest proporcjonalna do intensywności integralnej widma EPR. Przedstawiono wpływ paramagnetycznych i dia-magnetycznych jonów metali oraz tlenu na koncentrację centrów paramagnetycznych w melaninie. Dokonano przeglądu publikacji dotyczących wpływu substancji leczniczych na koncentrację centrów paramagnetycznych w melaninie. Przedstawiono przydatność spektroskopii EPR w identyfikowaniu melaniny w próbkach biologicznych, m.in. komór-kach nowotworowych, bakteriach i grzybach.

EN

Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is a method useful in biology and medicine to examine paramagnetic substances, their role in disease processes and therapy. The aim of this review work is to present the physical foundations of EPR spectroscopy and to review the applications of the EPR method for the qualitative and quantitative research on paramagnetic centers in melanin. The possibilities of EPR spectroscopy and experimental procedures applied to determine the types of paramagnetic centers existing in synthetic melanin and in melanin biopolymers are discussed. A useful spectroscopic parameter to determine the type of paramagnetic centers is the spectroscopic cleavage coefficient g, which depends on the location of the unpaired electron in the molecule. o-Semiquinone free radicals with spin S = 1/2 and biradicals with spin S = 1, exist in melanin. Free radicals and biradicals can be distinguished spectroscopically by analysing the influence of temperature on the integral intensity of EPR lines. The concentration of paramagnetic centers in melanin is proportional to the intensity of the integral EPR spectrum. The influence of paramagnetic and diamagnetic metal ions, and oxygen on the concentration of paramagnetic centers in melanin is presented. The publications on the influence of medicinal substances on the concentration of paramagnetic centers in tumor cells were reviewed. The usefulness of EPR spectroscopy in identifying melanin in biological samples, among others, cancer cells, bacteria, and fungi, is presented.

Keywords

EN

EPR spectroscopy; biradicals; birodniki; centra paramagnetyczne; free radicals; komórki nowotworowe; melanin; melanina; paramagnetic centers; spektroskopia EPR; tumor cells; wolne rodniki

Discipline

• MEDICINE: MEDICINE

• Publisher: Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach
• Journal: Annales Academiae Medicae Silesiensis
• Year: 2022
• Issue: 76
• Pages: 21-30

Contributors

author

Ewa Chodurek

• Katedra i Zakład Biofarmacji, Wydział Nauk Farmaceutycznych w Sosnowcu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

author

Barbara Barbara

• Katedra i Zakład Biofizyki, Wydział Nauk Farmaceutycznych w Sosnowcu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

References

• 1. Zdybel M., Pilawa B. Application of electron paramagnetic resonance spectroscopy in ophthalmology. W: Ophthalmology – current clinical and research updates. Red. P.G. Davey. InTech. Croatia 2014, s. 65–88, doi: 10.5772/57076.
• 2. Zdybel M., Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D. Zastosowanie spektroskopii EPR do badania melanin oraz kompleksów melanin z jonami metali i substancjami leczniczymi. Farm. Przegl. Nauk. 2009; 6(6): 42–46.
• 3. Ramos P., Pilawa B. Zastosowanie spektroskopii EPR do optymalizacji procesów sterylizacji termicznej w farmacji i medycynie. Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach. Katowice 2018.
• 4. Rok J., Otręba M., Buszman E., Wrześniok D. Melanina – z melanocytu do keranocytu, czyli jak przebiega transport melaniny w skórze. Ann. Acad. Med. Siles. 2012; 66(1): 60–66.
• 5. Venger L. Melanins are biological diamonds. Int. J. Engin. Res. Appl. 2017; 7(6 Part 1): 40–48.
• 6. Chodurek E., Pilawa B., Dzierżęga-Lęcznar A., Kurkiewicz S., Świątkowska L., Wilczok T. Effect of Cu2+ and Zn2+ ions on DOPA-melanin structure as analyzed by pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry and EPR spectroscopy. J. Anal. Appl. Pyrol. 2003; 70(1): 43–54.
• 7. Dzierżęga-Lęcznar A., Stępień K., Chodurek E., Kurkiewicz S., Świątkowska L., Wilczok T. Pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry of peroxynitrite-treated melanins. J. Anal. Appl. Pyrol. 2003; 70(2): 457–467.
• 8. Latocha M., Chodurek E., Kurkiewicz S., Świątkowska L., Wilczok T. Pyrolytic GC-MS analysis of melanin from black, gray and yellow strains of Drosophila melanogaster. J. Anal. Appl. Pyrol. 2000; 56(1): 89–98.
• 9. Wakamatsu K., Ito S. Advanced chemical methods in melanin determination. Pigment Cell Res. 2002; 15(3): 174–183, doi: 10.1034/j.1600-0749.2002.02017.x.
• 10. Morrish A.H. Fizyczne podstawy magnetyzmu. Państwowe Wydawnic-two Naukowe. Warszawa 1970. 11. Eaton G.R., Eaton S.S., Salikhov K.M. (red.). Foundations of modern EPR. World Scientific. Singapore 1998.
• 12. Rozancew E.G., Szolle W.D. Chemia organiczna wolnych rodników. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 1985.
• 13. Bartosz G. Druga twarz tlenu. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 2009.
• 14. Jóźwiak Z., Bartosz G. (red.). Biofizyka: wybrane zagadnienia wraz z ćwiczeniami. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2005.
• 15. Jaroszyk F. (red.). Biofizyka. Wyd. Lekarskie PZWL. Warszawa 2001.
• 16. Stankowski J., Piekara-Sady L., Kempiński W. EPR of a fullerene-molecule-derived paramagentic center as mesoscopic conducting object. Appl. Magn. Reson. 2000; 19: 539–546, doi: 10.1007/BF03162398.
• 17. Stankowski J., Kempiński W., Byszewski P., Trybuła Z. Free radicals in K and Rb admixtured fullerene C60. Acta Physica Pol. A 1993; 84(6): 1117–1123.
• 18. Stankowski J., Piekara-Sady L., Kempiński W., Huminiecki O., Scza-niecki P. B. EPR of graphite and fullerenes. Fullerene Sci. Technol. 1997; 5(6): 1203–1217, doi: 10.1080/15363839708009606.
• 19. Hoffmann S. K., Hilczer W., Kempiński W., Stankowski J. Electron spin echo and EPR stuides of paramagnetic center in polycrystalline C60. Solid State Commun. 1995; 93(3): 197–202.
• 20. Szroeder P., Rozpłoch F., Marciniak W. Two-temperature EPR measurements of multi-walled carbon nanotubes. Solid State Phenomena 2003; 94: 275–278, doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.94.275
• 21. Geru I.I. Molecular photoeffect in single- and multi-wall carbon nanotubes with physisorbed oxygen molecules. Phys. Lett. A 2017; 381(48): 4019–4022, doi: 10.1016/j.physleta.2017.10.041.
• 22. Stankowski J., Waplak S., Bednarski W. The anisotropy and temperature dependence of g-factor in graphite. Solid State Commun. 2000; 115(9): 489–491.
• 23. Stankowski J., Hilczer W. Wstęp do spektroskopii rezonansów magnetycznych. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 2005.
• 24. Stankowski J., Graja A. Wstęp do elektroniki kwantowej. Wyd. Komunikacji i Łączności. Warszawa 1972.
• 25. Wertz J.E., Bolton J. R. Electron spin resonance: theory and practical applications. New York, London 1986.
• 26. Weil J.A., Bolton J.R. Electron paramagnetic resonance: elementary theory and practical applications. 2nd ed. John Wiley & Sons. New York 2007.
• 27. Stankowski J. (red.). Radiospektroskopia ciała stałego. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1975.
• 28. Zoleo A., Vecchia F., Brustolon M. Characterization of ancient and modern papers by CW-EPR spectroscopy. Appl. Magn. Reson. 2009; 35(2): 213–220, doi: 10.1007/s00723-008-0155-z.
• 29. Pilawa B., Ramos P. Spektroskopia EPR: ćwiczenia dla studentów analityki medycznej i medycyny. Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach. Katowice 2017.
• 30. Kęcki Z. Podstawy spektroskopii molekularnej. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 1999.
• 31. Kirmse R., Stach J. Spektroskopia EPR: zastosowania w chemii. Uniwersytet Jagielloński. Kraków 1994.
• 32. Symons M. Spektroskopia EPR w chemii i biochemii. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1987.
• 33. Hrynkiewicz A.Z., Rokita E. (red.). Fizyczne metody badań w biologii, medycynie i ochronie środowiska.Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 2013.
• 34. Zawada K. Zastosowanie spektroskopii EPR w farmacji i medycynie. Farm. Pol. 2009; 65(3): 224–228.
• 35. Sarna T. Badanie struktury i właściwości centrów aktywnych melanin. Zagad. Biofiz. Współcz. 1981; 6: 201–219.
• 36. Sealy R.C., Hyde J.S., Felix C.C., Menon I.A., Prota G. Eumelanins and pheomelanins: characterization by electron spin resonance spectroscopy. Science 1982; 217(4559): 545–547, doi: 10.1126/science.6283638.
• 37. Pasenkiewicz-Gierula M. Badanie struktury i dynamiki paramagnetycz-nych układów molekularnych o spinie s = 1/2 metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego (ERP). Rozprawa habilitacyjna. Uniwersytet Jagielloński. Kraków 1990.
• 38. Buszman E., Pilawa B., Zdybel M., Wrześniok D., Grzegorczyk A., Wilczok T. Paramagnetic centers in DOPA-melanin-dihydrostreptomycin complexes. Acta Physica Pol. A 2005; 108(2): 353–356.
• 39. Charlier N., Desoil M., Gossuin Y., Gillis P., Gallez B. Electron paramagnetic resonance imaging of melanin in honey bee. Cell Biochem. Biophys. 2020; 78(2): 123–126, doi: 10.1007/s12013-020-00903-8.
• 41. Mostert A.B., Rienecker S.B., Noble C., Hanson G.R., Meredith P. The photoreactive free radical in eumelanin. Sci. Adv. 2018; 4(3): eaaq1293, doi: 10.1126/sciadv.aaq1293.
• 42. Al Khatib M., Harir M., Costa J., Baratto M.C., Schiavo I., Trabalzini L. i wsp. Spectroscopic characterization of natural melanin from a Streptomyces cyaneofuscatus strain and comparison with melanin enzymatically synthesized by tyrosinase and laccase. Molecules 2018; 23(8): 1916, doi: 10.3390/molecules23081916.
• 43. Najder-Kozdrowska L., Pilawa B., Buszman E., Więckowski A.B., Świątkowska L., Wrześniok D., Wojtowicz W. Triplet states in DOPA-melanin and in its complexes with kanamycin and copper Cu(II) ions. Acta Physica Pol. A 2010; 118(4): 613–618.
• 44. Zdybel M., Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D., Krzyminiewski R., Kruczyński Z. EPR studies of DOPA-melanin complexes with netilmicin and Cu(II) at temperatures in the range of 105–300 K. Appl. Magn. Reson. 2012; 43(3): 341–351.
• 45. Kozdrowska L. Właściwości centrów paramagnetycznych kompleksów DOPA-melaniny z kanamycyną i jonami miedzi(II). Praca doktorska. Uniwersytet Zielonogórski. Zielona Góra 2006.
• 46. Zdybel M. Złożony układ centrów paramagnetycznych kompleksów DOPA-melaniny z netilmicyną, jonami cynku(II) i miedzi(II). Rozprawa doktorska. Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach. Katowice 2008.
• 47. Pilawa B., Latocha M., Krzyminiewski R., Kruczyński Z., Buszman E., Wilczok T. Effect of temperature on melanin EPR spectra. Phys. Med. 2004; 20(Suppl 1): 96–98.
• 48. Zdybel M., Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D., Krzyminiewski R., Kruczyński Z. Continuous microwave saturation of EPR spectra of melanin complexes at different temperatures. Pol. J. Med. Phys. Eng. 2012; 17(2): 85––94, doi: 10.2478/v10013-011-0009-0.
• 49. Więckowski A. B. Zastosowanie elektronowego rezonansu paramagne-tycznego w badaniach ultramaryny. Wiad. Chem. 1972; 26(12/306): 803–822.
• 50. Więckowski A.B., Wojtowicz W., Śliwa-Nieściór J. Temperature dependence of the EPR linewidth of ultramarine blue. Magn. Res. Chem. 1999; 37(13 Special Issue): S150–S153.
• 51. Kowalak S., Jankowska A., Zeidler S., Więckowski A.B. Sulfur radicals embedded in various cages of ultramarine analogs prepared from zeolites. J. Solid State Chem. 2007; 180(3): 1119–1124, doi: 10.1016/j.jssc.2007.01.004.
• 52. Najder-Kozdrowska L., Więckowski A.B. Linear anamorphosis of the electron paramagnetic resonance (EPR) lineshape of ultramarine blue. W: Ethics and humanism in European science, environment and culture. T. 16. Red. M. Jaskuła, B. Buszewski, A. Sękowski, Z. Zagórski Z. Societas Humboldtiana Polonorum. Kraków – Lublin – Toruń 2011, s. 321–325.
• 53. Pilawa B., Latocha M., Buszman E., Wilczok T. Effect of oxygen on spin-spin and spin-lattice relaxation in DOPA-melanin. Complexes with chloroquine and metal ions. Appl. Magn. Reson. 2003; 25(1): 105–111. 54. Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D., Latocha M., Wilczok T. Application of EPR spectroscopy to examination of gentamicin and kanamycin binding to DOPA-melanin. Appl. Magn. Reson. 2002; 23: 181–192.
• 55. Najder-Kozdrowska L., Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D., Więckowski A.B. Electron paramagnetic resonance (EPR) study of DOPA- -melanin complexes with kanamycin and copper(II) ions. Spectroscopy 2011; 25(3/4): 197–205.
• 56. Buszman E., Pilawa B., Zdybel M., Wrześniok D., Grzegorczyk A., Wilczok T. EPR examination of Zn2+ and Cu2+ effect on free radicals in DOPA--melanin-netilmicin complexes. Chem. Phys. Lett. 2005; 403(1–3): 22–28.
• 57. Bilińska B., Pilawa B., Zawada Z., Wylęgała E., Wilczok T., Dontsov A.E. i wsp. Electron spin resonance investigations of human retinal pigment epithelium melanosomes from young and old dodnors. Spectrochim. Acta A – Mol. Biomol. Spectroscopy 2002; 58(10): 2257–2264.
• 58. Chodurek E., Czyżyk D., Pilawa B., Wilczyński S. EPR studies of paramagnetic centers in melanin from Sepia officinalis. Eng. Biomater. 2009; 12(86): 28–32.
• 59. Buszman E., Pilawa B., Zdybel M., Wilczyński S., Gondzik A., Witoszyńska T., Wilczok T. EPR examination of Zn2+ and Cu2+ binding by pigmented soil fungi Cladosporium cladosporioides. Sci. Total Environ. 2006; 363(1–3): 195–205, doi: 10.1016/j.scitotenv.2005.05.028.
• 60. Bin L., Wei L., Xiaohong C., Mei J., Mingsheng D. In vitro antibiofilm activity of the melanin from Auricularia auricula, an edible jelly mushroom. Ann. Microbiol. 2012; 62: 1523–1530.
• 61. Khajo A., Bryan R.A., Friedman M., Burger R.M., Levitsky Y., Casadevall A., Magliozzo R.S., Dadachova E. Protection of melanized Cryptococcus neoformans from lethal dose gamma irradiation involves changes in melanin’s chemical structure and paramagnetism. PloS One 2011; 6(9): e25092, doi: 10.1371/journal.pone.0025092.
• 62. Pilawa B., Chodurek E., Wilczok T. Types of paramagnetic centres in Cu2+ complexes with model neuromelanins. Appl. Magn. Reson. 2003; 24: 417–422.
• 63. Paulin J.V., Batagin-Neto A., Graeff C.F.O. Identification of common resonant lines in the EPR spectra of melanins. J. Phys. Chem. B 2019; 123(6): 1248–1255, doi: 10.1021/acs.jpcb.8b09694.
• 64. Pilawa B., Zdybel M., Latocha M., Krzyminiewski R., Kruczyński Z. Analysis of lineshape of black Drosophila melanogaster EPR spectra. Curr. Top. Biophys. 2008; 31: 5–9.
• 65. Zdybel M., Chodurek E., Pilawa B. EPR studies of DOPA-melanin complexes with Fe(III). Appl. Magn. Reson. 2011; 40(1): 113–123.
• 66. Ushakova N.A., Dontsov A.E., Sakina N.L., Karagodin V.P., Bastrakov A.I. Preparation and characterization of Alphitobius diaperinus melanin. Appl. Biochem. Microbiol. 2018; 54(4): 425–431, doi: 10.1134/S0003683818040142.
• 67. Ushakova N., Dontsov A., Sakina N., Bastrakov A., Ostrovsky M. Antioxidative properties of melanins and ommochromes from black soldier fly Hermetia illucens. Biomolecules 2019; 9(9): 408, doi: 10.3390/biom9090408.
• 68. Buszman E., Pilawa B., Witoszyńska T., Latocha M., Wilczok T. Effect of Zn2+ and Cu2+ on free radical properties of melanin from Cladosporium cladosporioides. Appl. Magn. Reson. 2003; 24: 401–407.
• 69. Zdybel M., Pilawa B., Drewnowska J.M., Święcicka I. Comparative EPR studies of free radicals in melanin synthesized by Bacillus weihenstephanensis soil strains. Chem. Phys. Lett. 2017; 679: 185–192, doi: 10.1016/j.cplett.2017.05.013.
• 70. Beberok A., Zdybel M., Pilawa B., Buszman E., Wrześniok D. EPR characteristics of free radicals in DOPA-melanin-moxifloxacin complexes at ambient level of UVA radiation. Chem. Phys. Lett. 2014; 592(1): 41–46, doi: 10.1016/j.cplett.2013.12.011.
• 71. Matuszczyk M., Buszman E., Pilawa B., Witoszyńska T., Wilczok T. Cd2+ effect on free radicals in Cladosporium cladosporioides-melanin tested by EPR spectroscopy. Chem. Phys. Lett. 2004; 394(4–6): 366–371.
• 72. Chodurek E., Zdybel M., Pilawa B. Applictaion of EPR spectroscopy to examination of free radicals in melanins from A-375 and G-361 human melanoma malignum cells. J. Appl. Biomed. 2013; 11(3): 173–185.
• 73. Buszman E., Latocha M., Namysłowski W., Pilawa B., Wilczok T. Wpływ jonów Cd2+, Zn2+ i Cu2+ na proliferację i stopień melanizacji komórek melanomy mysiej. Ann. Acad. Med. Siles. 1998; 34–35: 11–28.
• 40. Pukalski J., Marcol N., Wolan N., Płonka P.M., Ryszka P., Kowalski T., Latowski D. Detection of a pheomelanin-like pigment by EPR spectroscopy in the mycelium of Plenodomus biglobosus. Acta Bioch. Pol. 2020; 67(3): 295–301, doi: 10.18388/abp.2020_5405.

• Document Type: article