Study of the Mechanism of Biological Activity Enhancement of Benzylpenicillin Sodium Salt after Treatment with Pulsed Magnetic Field of High Intensity

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Magnetic field is able to change the biological activity of drugs, which can be used in medicine. Literature data on the increase in biological activity of prepared drugs under the influence of pulsed magnetic fields immediately before their administration have not been found. This article presents data on the increase in antibacterial activity of benzylpenicillin sodium salt after its treatment with pulsed magnetic field. The aim of the work is to investigate the reasons for the increase in biological activity of benzylpenicillin, to show the changes that occur in the molecule under the influence of a pulsed magnetic field. Exposure to magnetic field was carried out on powdered antibiotic on magnetic-pulse unit with magnetic field strength H = (0.09÷0.82) × 106 A/m. The pulse shape was a damped sinusoid with frequency response f = 40 kHz and f = 51 kHz. Experimental methods of NMR-spectroscopy and IR-Fourier-spectroscopy were used in the studies. The shift in the value of chemical shifts (δH) and spin-spin interaction constants (2JHH) of the signals of methylene protons of the benzyl substituent as a result of the magnetic field was found. The changes in the absorption bands of the N–H and C=O bonds of the amide grouping and the carbonyl group of the lactam cycle were detected by FTIR spectroscopy. The obtained spectral data allow us to conclude that the geometry of the benzylpenicillin sodium salt molecule in the amide fragment has changed under the influence of a pulsed magnetic field, which is probably the reason for the increase in antibacterial activity of the antibiotic.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Natalia A. Rodenko

Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences; Samara National Research University named by Academician S.P. Korolyev

Author for correspondence.
Email: t.rodenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0623-7207
Russian Federation, Samara; Samara

Tatiana I. Vasilyeva

Samara National Research University named by Academician S.P. Korolyev; Samara State Medical University

Email: vastaty@rambler.ru
Russian Federation, Samara; Samara

Andrei V. Bogdanov

Institute of Organic and Physical Chemistry named by A.E. Arbuzov

Email: abogdanov@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-2483-4742
Russian Federation, Kazan

Vladimir A. Gluschenkov

Samara Federal Research Center, Russian Academy of Sciences; Samara National Research University named by Academician S.P. Korolyev

Email: vgl@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0001-8368-2905
Russian Federation, Samara; Samara

References

  1. Трухан С.Н., Мартьянов О.Н. Магнитные свойства вещества. Ч. 1. Основы строения. Новосибирск: Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, 2012. 75 с. [Trukhan S.N., Martyanov O.N. Magnitnye svojstva veshhestva. Chast’ 1. Osnovy stroenija = Magnetic properties of matter. Part 1. Fundamentals of structure. Novosibirsk: Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, 2012. 75 p. (In Russ.)]
  2. Золотухина Е.И., Улащик В.С. Основы импульсной магнитотерапии. Витебск: Витебская областная типография, 2008. 144 с. [Zolotukhina E.I., Ulashchik V.S. Osnovy impul’snoj magnitoterapii = The basics of pulsed magnetotherapy, 2008. 144 p. (In Russ.)]
  3. Kakikawa M., Imai S., Yamada S. Effect of extremely low-frequency (ELF) magnetic fields on the potency of drugs in bacterial cells. IEEE Transact. Magn. 2014;50(4):1–4. https://doi.org/10.1109/tmag.2013.2286781
  4. Kakikawa M., Maeda T., Yamada S. Combined effect of 60 Hz magnetic fields and anticancer drugs on human hepatoma hepg2 cells. IEEE J. Electromagn., RF Microwav. Med. Biol. 2019;3(1):56–60. https://doi.org/10.1109/jerm.2018.2880341
  5. Torgomyan H., Trchounian A. The enhanced effects of antibiotics irradiated of extremely high frequency electromagnetic field on Escherichia coli growth properties. Cell Biochem. Biophys. 2015;71(1):419–424. https://doi.org/10.1007/s12013-014-0215-y
  6. Роденко Н.А., Васильева Т.И., Беляева И.А. и др. Исследование биологической активности бензилпенициллина натриевой соли при ее обработке импульсным магнитным полем в отношении грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Цитология. 2022;64(7):658–659. [Rodenko N.A., Vasilyeva T.I., Belyaeva I.A, et al. Issledovanie biologicheskoj aktivnosti benzilpenicillina natrievoj soli pri ee obrabotke impul’snym magnitnym polem v otnoshenii grampolozhitel’nyh i gramotricatel’nyh mikroorganizmov = Study of biological activity of benzylpenicillin sodium salt at its treatment with pulsed magnetic field against Gram-positive and Gram-negative microorganisms. Tsitologiya = Cytology. 2022;64(7):658–659. (In Russ.)]. https://doi.org/10.31857/S004137712207001X
  7. Алексеева Н.В., Основина И.П., Владимирцева Е.Л., Иванов А.В. Обоснование возможности применения магнитофореза при патологии суставов. Вопр. курортологии, физиотерапии и лечебной физической культуры. 2018;95(3):49–56. [Alekseeva N.V., Osnovina I.P., Vladimirtseva E.L., Ivanov A.V. Obosnovanie vozmozhnosti primeneniya magnitoforeza pri patologii sustavov = The rationale for the application of magnetophoresis for the treatment of intra-articular pathology. Problems of Balneology, Physiotherapy and Exercise Therapy. 2018;95(3):49–56. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17116/kurort201895349
  8. Глущенков В.А., Юсупов Р.Ю. Энергетические установки для магнитно-импульсной обработки материалов. Самара: Изд. дом Федоров, 2013. 123 с. [Glushchenkov V.A., Yusupov R.Yu. Energeticheskie ustanovki dlya magnitno-impul’snoj obrabotki materialov = Power plants for magnetic-pulse processing of materials. Samara: Izdatel’skij dom Fyodorov, 2013. 123 p. (In Russ.)]
  9. Тыжигирова В.В. Применение ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной спектроскопии в анализе лекарственных средств: учебное пособие. Иркутск: ИГМУ, 2018. 72 с. [Tyzhigirova V.V. Primenenie ul’trafioletovoj, vidimoj i infrakrasnoj spektroskopii v analize lekarstvennyh sredstv: uchebnoe posobie = Application of ultraviolet, visible and infrared spectroscopy in the analysis of drugs: a textbook. Irkutsk: IGMU, 2018. 72 p. (In Russ.)]
  10. Ковалев С.И., Смирнов А.Е., Волошин А.Э. Влияние магнитного поля на растворимость кристаллов. Материаловедение. 2014;7:3–6. [Kovalev S.I., Smirnov A.E., Voloshin A.E. Vlijanie magnitnogo polja na rastvorimost’ kristallov = Effect of magnetic field on the solubility of crystals. Materialovedenie = Materials science. 2014; 7:3–6. (In Russ.)].
  11. Ivashchenko V.E., Boldyrev V.V., Zakharov Yu.A. et al. The effect of magnetic field on the shape of etch pits of paracetamol crystals. Mater. Res. Innovat. 2002; 5:214–218. https://doi.org/10.1007/s10019-002-0175-5
  12. Лобанова Е.Г., Чекалина Н.Д. Пенициллины. Пенициллины. Доктор Акушерство и гинекология 2008. М.: Серия РЛС, 2008. [Lobanova E.G., Chekalina N.D. Penicilliny. Penicilliny. Doktor Akusherstvo i ginekologija = Penicillins. Penicillins. Dr Obstetrics and Gynaecology 2008. M.: serija RLS, 2008. (In Russ.)].
  13. Jalali A., Zafari J., Jouni F.J., Abdolmaleki P., Shirazi F.H., Khodayar M.J. Combination of static magnetic field and cisplatin in order to reduce drug resistance in cancer cell lines. Int. J. Radiat. Biol. 2019;95(8):1194–1201. https://doi.org/10.1080/09553002.2019.1589012
  14. Сорокин М.М. Флотационные методы обогащения: Химические основы флотации: Учебное пособие. М.: Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2011. 411 с. [Sorokin M.M. Flotacionnye metody obogashhenija: himicheskie osnovy flotacii: Uchebnoe posobie = Flotation methods of beneficiation: Chemical basis of flotation: Textbook. M.: Izdatel’skij Dom NITU «MISiS», 2011. 411 p. (In Russ.)]
  15. Чертов А.Г. Общая физика: Учебное пособие. Под ред. Чертова А.Г., Воробьева А.А. М.: КНОРУС, 2017. 800 с. [Chertov A.G. Obshhaja fizika: Uchebnoe posobie. Pod red. Chertova A.G., Vorob’jova A.A. М.: KNORUS, 2017. 800 с. (In Russ.)]
  16. Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л.: Химия, 1973. 304 с. [Krestov G.A. Termodinamika ionnyh processov v rastvorah = Thermodynamics of ionic processes in solutions. L.: Himija, 1973. 304 p. (In Russ.)]
  17. Trevisan T.V., Monteiro G.M., Caldeira A.O. Enhancement of diamagnetism by momentum-momentum interaction: Application to benzene. Phys. Rev. B. 2021;103(18). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L180402
  18. Краснов К.С. Молекулы и химическая связь: учебное пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1984. 295 с. [Krasnov K.S. Molekuly i himicheskaja svjaz’: uchebnoe posobie dlja vuzov = Molecules and chemical bonding: textbook for universities. M.: Vysshaja shkola, 1984. 295 p. (In Russ.)]
  19. Kumarasiri M., Fisher J.F., Mobashery S. Penicillin-binding protein 5 of escherichia coli. Handbook of Proteolytic Enzymes. 2013;3:3474–3480. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-382219-2.00770-5
  20. Калаева Е.А., Артюхов В.Г. Биофизические аспекты строения, функционирования и регуляции активности ферментов. Воронеж: Изд. дом ВГУ, 2019. 216 с. [Kalaeva E.A., Artjuhov V.G. Biofizicheskie aspekty stroenija, funkcionirovanija i reguljacii aktivnosti fermentov = Biophysical aspects of enzyme structure, function and regulation of enzyme activity. Voronezh: Izdatel’skij dom VGU, 2019. 216 p. (In Russ.)]
  21. Sauvage E., Kerff F., Fonzé E. et al. The 2.4-Å crystal structure of the penicillin-resistant penicillin-binding protein PBP5fm from Enterococcus faecium in complex with benzylpenicillin. Cell. Molec. Life Sci. 2002;59(7):1223-32. https://doi.org/10.1007/s00018-002-8500-0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Scheme of the action of the PMF on benzylpenicillin sodium salt.

Download (92KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Shape of the discharge current in the inductor, which is a damped sinusoid: I1max – amplitude of the 1st half-period of current, I3max – amplitude of the 3rd half-period of current, T – oscillation period.

Download (88KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. NMR ¹Н spectrum of benzylpenicillin sodium salt before exposure to the PMF.

Download (145KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. NMR ¹Н spectrum of benzylpenicillin sodium salt processed at Н = 0.64 × 10⁶ A/m.

Download (149KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Fragments of IR-spectra of benzylpenicillin sodium salt before and after it with the PMF processing.

Download (60KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Fragments of IR-spectra of benzylpenicillin sodium salt before and after processing it with the PMF.

Download (101KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Hydration of benzylpenicillin sodium salt molecule before (a) and after exposure (b) to pulsed magnetic field.

Download (142KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Assumed mechanism of interaction of benzylpenicillin sodium salt molecule with penicillin-binding protein PBP5 of E.coli before and after exposure to pulsed magnetic field.

Download (147KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».