The application of nanomaterials in medicine: Part one

Abstract

Full Text

Благодаря малым пространственным размерам, возможности специфического связывания поверхности с разнообразными лигандами, проявлению резонансного характера поглощения различных падающих видов энергии внешних воздействий с последующей их релаксацией и быстрой регистрации изменений энергетического состояния наночастицы получили широкое применение в клеточной инженерии и разработке новых методов эффективной экспресс-диагностики и терапии различных заболеваний на ранних стадиях развития [5, 19, 20], например в онкологической медицине, где ранняя диагностика и эффективность лечения неразрывно связаны. В настоящее время для терапевтических и исследовательских нужд современной медицины достаточно давно активно применяются разнообразные по форме и дисперсному составу металлические, полупроводниковые, полимерные, оксидные, углеродные наноструктуры. В то же время многие вопросы взаимодействия наночастиц с биологическими структурами как in vitro, так и in vivo по-прежнему не имеют однозначных ответов. Нанообъект — физический объект, отличающийся по своим физико-химическим свойствам от соответствующего массивного материала и имеющий как минимум один из размеров в нанодиапазоне (не более 100 нм). Нанотехнологией называется технология, имеющая дело как с отдельными нанообъектами, так и с материалами и устройствами на их основе, а также с процессами, протекающими в нанометровом диапазоне [1]. Одним из основных свойств наночастиц является то, что их физико-химические свойства качественно отличаются при переходе от микро- к наноразмеру [5]. Это связано с тем, что если хотя бы один из размеров частицы сопоставим с радиусом корреляции какого-либо физического или химического свойства (длиной свободного пробега электрона, размером магнитного домена и т. д.), то проявляются «размерные» эффекты [5, 33]. Так, для наночастиц металлов различают два типа размерных эффектов: внутренний и наружный. Внутренний эффект проявляется в изменении объемных и поверхностных свойств частиц, внешний эффект является размерно-зависимым ответом на воздействие внешних полей и сил [5]. При переходе вещества в стационарное состояние электромагнитная энергия излучается во всех направлениях. Подобные процессы характеризуются определенной частотой колебания носителей заряда (электронов проводимости). При совпадении частоты падающего излучения с частотой собственных колебаний наблюдается эффект резонансного поглощения падающей энергии, так называемый плазмонный резонанс, на основании существования которого реализуются методы обнаружения различных терапевтических или диагностических комплексов на основе наночастиц, связанных с лекарственными препаратами и/или антителами для специфического взаимодействия с клеточными структурами. Кроме переизлучения, наноструктуры могут преобразовывать часть падающей электромагнитной энергии в другие ее виды (например, тепло). Подобный процесс называется поглощением. Для наночастиц поглощение преобладает над рассеянием, если и в объемном материале наблюдается заметное поглощение этих конкретных длин волн [7]. При распространении света в наноструктуриро-ванном веществе с уменьшением размера нанообразований падает значение коэффициента поглощения, материал становится более прозрачным для большего интервала длин волн. При рассмотрении явления интерференции ее максимум смещается в коротковолновую область, а коэффициент экстинкции при этом резко возрастает. В металлических частицах спектральные характеристики экстинкции имеют ряд особенностей. Так как у металлов вклад свободных электронов преобладает над всеми другими механизмами, то он оказывается доминирующим в полосе частот от радиодиапазона до области дальнего ультрафиолета. Уменьшение диаметра наночастиц приводит к уширению пика поглощения, одновременно уменьшается его высота, но положение максимума при этом не изменяется. Уширение и уменьшение максимума поглощения наблюдается у сверхмелких частиц. Для более крупных размеров пик сдвигается в сторону больших длин волн [7]. Для практического использования в биомедицинской технологии требуются наночастицы, которые при заданном объеме наиболее интенсивно поглощали бы излучение в заданном диапазоне частот. Варьируя их размеры и форму, ученые синтезируют наноматериалы с необходимыми физическими свойствами. Таким образом, становится возможным осуществлять контроль длины волны оптического поглощения и излучения, например, квантовых точек или наноди-сперсных металлических частиц, варьируя основные размерные характеристики материалов, что позволяет от теоретических изысканий перейти к практическим диагностическим и терапевтическим приложениям наноматериалов: гипертермии (процесс преобразования наночастицами падающей электромагнитной энергии в тепловую энергию для последующих перегреваний очагов патологии), маркированию биологических объектов для последующей люминесцентной микроскопии (процесс переизлучения падающей поглощенной энергии веществом с последующей регистрацией рассеянного излучения) и др. Для диагностических приложений в медицине перспективны полупроводниковые или металлические наночастицы, способные поглощать и переизлучать падающее электромагнитное излучение. Для простоты их регистрации настраиваемые в процессе синтеза наночастиц оптические свойства, зависящие от размерных характеристик структур, должны соответствовать узким спектральным линиям поглощения и испускания энергии. Следовательно, наночастицы должны иметь как можно более узкое распределение по размерам в образце. Наиболее перспективными инструментами для медицинской диагностики среди прочих являются наночастицы золота и оксидов железа ввиду их большей биосовместимости, варьируемых в зависимости от размеров нанообъектов размерных оптических резонансных эффектов, относительной простоты получения и доступности. Золотые наноструктуры Интенсивная красная окраска золотосодержащего маркера позволяет легко обнаруживать золотые частицы с применением различных методик исследования (просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, световая, зондовая микроскопия, фотометрия, проточная цитометрия и др.) [3]. Золотые наночастицы, обладающие свойством плазмонного резонанса, используются в медицине в клинической экспресс-диагностике [5, 17, 19, 20] для иммунной индикации [26, 28] и детекции биоспецифи-ческого связывания макромолекул [21, 34, 35] и оптической визуализации биологических объектов [32]. Коллоидно-золотые препараты применяются в методах проведения анализа больших массивов антигенов [25] и в иммунографических стрип-тестах [15]. Для эффективного применения в биомедицине нанокомплексов, проявляющих резонансные оптические свойства в диапазоне длин волн, в котором наблюдается резонансное поглощение падающей электромагнитной энергии и ее релаксация наноструктурами, эти процессы должны соответствовать окну прозрачности тканей организма пациента ~ 650—750 нм (по другим данным, 900—1000 нм). Спектральная настройка наночастиц и соотношения между их эффективностями поглощения и рассеяния осуществляется за счет изменения размера, формы, типа и структуры частиц [9]. Относительно недавно были обнаружены уникальные поляризационные оптические свойства и у золотых наностержней [29], которые также могут быть использованы для визуализации и мониторинга молекулярных маркеров на поверхности клеток. Композитные наноразмерные структуры, представляющие собой неорганическое ядро (например, кремния [30]), покрытое золотой оболочкой толщиной наномасштаба в жидкой матрице, обладают высокой агрегативной стабильностью. Параметры оптического резонанса таких частиц настраиваются отношением толщины золотой оболочки к размеру ядра. Резонансное рассеяние энергии на частицах таких размеров более чем на порядок превышает рассеяние на обычных золотых коллоидных частицах и интенсивнее флюоресценции молекул типичных красителей [4]. Серебряные наноструктуры Наночастицы серебра (Ag НЧ) также весьма интересуют исследователей в связи с их антибактериальным эффектом. В современной медицине Ag НЧ применяются для создания перевязочных материалов, хирургических инструментов и биоматериальных тка-незаменителей (например, костная ткань) [22]. В зависимости от технологии производства, определяющей размеры, форму, стабилизирующее и функциональное покрытие Ag НЧ, они могут поглощаться клетками и накапливаться в их перинуклеарном пространстве [22, 23]. Авторами работы [23] было показано, что цито-и генотоксический потенциал Ag НЧ в человеческих мезенхимальных стволовых клетках (МСК) наличествует в значительно более высоких концентрациях по сравнению с концентрациями, необходимыми для эффективного достижения антимикробного воздействия. Наночастицы — аналог QD Наночастицы с выраженной дискретностью энергетических уровней часто называют «квантовыми точками», в основном это полупроводниковые наноматериалы, имеющие интенсивную и узкую линию люминесценции в видимой и ближней инфракрасной области спектра [41]. Неорганические полупроводники способны хорошо поглощать электромагнитное излучение и фотосенсибилизировать окислительновосстановительные реакции [18]. Полупроводники обеспечивают возможность многоэлектронных фотопроцессов, что существенно для реализации многих химических реакций, в том числе фоторазложения воды. Поверхность частицы полупроводника может играть роль стабилизатора образующихся промежуточных соединений, оказывая влияние на эффективность химических реакций и их избирательность [6]. В настоящее время перспективными для биомедицинских применений в качестве флюоресцентных меток считаются наночастицы золота и на основе CdTe или CdSe, поверхность которых стабилизирована CdS и ZnS соответственно. Однако соединения на основе кадмия довольно токсичны и их использование в ме дицине проблематично [5]. Результаты экспериментов, направленных на определение токсичности образцов квантовых точек на основе ZnS и CdS с одинаковым размером, поверхностным покрытием и концентрациями наночастиц в образцах, показали цитотоксичность CdS и ее отсутствие при использовании наноструктур на базе соединения ZnS [31]. Биосовместимость ZnS квантовых точек (КТ) делает их благоприятными для применения in vivo. Проблему токсичности нанокомплексов с включениями кадмия, вероятно, можно решить правильным подбором ПАВ. Авторы исследования [40] утверждают, что антитела Anti-HER2, сопряженные с квантовыми точками на основе CdSe/ ZnS и позволяющие осуществлять люминесцентную диагностику и визуализацию опухолей при онкологических патологиях молочной железы, а также определение статуса белка HER2 в исследуемой опухоли, не оказывают токсического воздействия на организмы крыс линии Wistar. Совокупные данные этого исследования подтверждают биосовместимость anti-HER2ab-КТ-комплекса для визуализации рака молочной железы, исходя из предположения, что подобные конъюгационные к КТ покрытия ослабляют или же полностью блокируют возможное негативное воздействие исследуемых квантовых точек на организм [40]. Магнитные наночастицы Для решения задач биологии и медицины широкое применение нашли магнитные наночастицы, которые при связывании с биологически активными компонентами или клеточными структурами делают образовавшиеся конъюгаты магнитоуправляемыми при наложении внешнего поля, что позволяет их высокоэффективно использовать при выделении многих пептидов, белков и поликлональных антител [38]. Наноформации, проявляющие магнитные свойства, среди прочего вызывают повышенный интерес исследователей ввиду их потенциальной эффективности в терапии и диагностике методами избирательного взаимодействия с клеточными структурами, которое успешно реализуется, например, при проведении клеточной сепарации, удаления из кровотока одиночных злокачественных клеток и подготовки клеточного материала перед его трансплантацией онкологическим больным [24, 37]. Так, применение клеточной сортировки для восстановительной трансплантологии после химио- и лучевой терапии онкологических больных позволяет значительно снизить гематоксические осложнения при лечении и уменьшить сроки реабилитации пациентов [40]. Магнитно-резонансная (МР) томография предлагает решение для отслеживания клеток in vivo с использованием инновационных подходов к мечению клеточных структур магнитными маркерами, которые уменьшают время релаксации Т1- и Т2-протонов и таким образом усиливают контрастность на томограммах, и получению изображений. Для реализации успешного мониторинга меченых клеток необходимо добиться оптимальной эффективности маркеров без каких-либо побочных эффектов. Магнитная клеточная визуализация является относительно новым и развивающимся методологическим комплексом, который позволяет наблюдать и выделять имплантированные клетки in vivo. При нейтрализации негативных последствий взаимодействий нанокомплексов на основе редкоземельных элементов с клеточными структурами они могут стать инструментами для эффективной диагностики различных заболеваний. Кластеры лантаноидов обладают способностями проявлять размерные эффекты [12, 13, 16], в частности наночастицы гадолиния, обнаруживающие суперпарамагнитные свойства, определяемые магнитными свойствами атомов с не полностью заполненными электронными d- и f-оболочками, на которых присутствуют электроны с неспаренным спином, и поэтому в них возникают значительные по величине и нескомпенсированные магнитные моменты. Для того чтобы гадолиний мог выводиться почками, не оказывая на них токсического действия, он используется в виде комплекса с диэтилентриамин-пентауксусной кислотой. Однако впоследствии было выяснено, что существует возможность развития не-фрогенного системного фиброза у больных с почечной недостаточностью и некоторыми воспалительными заболеваниями [10, 14, 39]. Магнитные наночастицы оксидов железа Наночастицы оксидов железа являются наиболее подходящими магнитными материалами для биомедицинских исследований. Основное преимущество оксидов железа — это высокая стабильность коллоидного раствора, высокоэффективная поверхность наночастиц, которая позволяет связывать различные лиганды, и биосовместимость. Как было отмечено, движением таких наночастиц можно управлять посредством наложения внешнего магнитного поля и локализовать их в заданной области организма или органе [5]. Используя нанокомплексы на основе сверхмелких суперпарамагнитных частиц оксидов железа, в настоящее время ученые активно разрабатывают методики детектирования клеточных структур, предварительно связанных с модифицированными магнитными маркерами [11, 27, 42]. Главное преимущество применения суперпара-магнитных наночастиц состоит в том, что они имеют размеры порядка 10 нм и легко могут быть введены в клетки без серьезных пагубных побочных эффектов. Одна четверть железа, присутствующего в теле человека, находится в молекулах ферритина, а 70% — в гемоглобине. Ферритин — биологическая молекула, содержащая 25% железа по массе и состоящая из симметричной белковой оболочки в форме полой сферы с внутренним диаметром 7,5 нм и внешним диаметром 12,5 нм. Эта молекула в биологических системах играет роль «хранилища» Fe3+ в организме. Поскольку железо как вещество в организме человека находится естественно и в достаточном количестве, так как это важный переносящий кислород компонент молекулы гемоглобина, оно вряд ли способно оказать какое-либо вредоносное воздействие на поведение и жизнедеятельность клеточных структур и здоровье пациентов при правильном подборе концентраций внедряемых агентов. Контрастные средства на основе суперпарамаг-нитных наночастиц оксида железа идеальны для МР-ангиографии у человека. Препарат AMI-277 (синерем) улучшал визуализацию почечной артерии и правой коронарной артерии. Кроме того, с помощью AMI-277 удалось визуализировать аорту, нижнюю полую вену и воротную вену у 16 больных в течение 45 мин. С помощью вещества NC100150 (кларискан) можно проводить коронарную МР-ангиографию и получать изображение крупных, сегментарных и субсегментарных артерий. При использовании контрастного средства в виде болюса для перфузионных исследований не обнаружено каких-либо побочных реакций. Наночастицы суперпарамагнитного оксида железа помогают выявлять ишемические поражения головного мозга на ранних стадиях, идентифицировать участки ишемии миокарда, оценивать функцию почек и их гемодинамику [43].