Группа учёных из ИБХ РАН, МФТИ, Университета «Сириус», ИОФ РАН, НИЯУ МИФИ и РНИМУ первой исследовала долговременную судьбу магнитных наночастиц в организме животных. Они используются для направленной доставки лекарств и уже допущены к применению в медицине. Но долгое время было неизвестно, что происходит с наночастицами после осуществления ими терапии. Благодаря новой разработке российских биохимиков стало известно, как «стареют» и распадаются магнитные наночастицы в организме млекопитающих. Результаты опубликованы в престижном журнале ACS Nano.
Адресная доставка лекарств — одно из прорывных направлений развития современной диагностики и терапии различных заболеваний. В идеале «умные» наночастицы, транспортирующие препараты, должны сами находить, распознавать и лечить очаг болезни. Распространённый объект научных исследований в области таргетной терапии — магнитные наночастицы, они широко используются для управляемой доставки лекарств и уже применяются в медицинской практике. В частности, они являются яркими контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии (МРТ) – одного из самых востребованных сегодня инструментов функциональной диагностики. Кроме того, ряд составов магнитных частиц с сахарами используется для терапии железодефицитной анемии. Долгое время оставалось неясным, как ведут себя наночастицы в организме после того, как выполнили свою функцию.
Команда российских учёных-биохимиков разработала новый спектральный магнитный метод детекции материалов. Он позволяет отделять сигнал магнитных наночастиц от железа, которое в норме содержится в организме. Мышь располагается областью печени и селезёнки над магнитной катушкой, воздействующей на наночастицы, и по магнитному отклику измеряется, какое количество железа осталось в составе частиц, а какое уже вошло в состав белков млекопитающего.
Высокая чувствительность метода и возможность проводить измерения без смерти животных позволили впервые провести настолько масштабное исследование в области нанобиотехнологий. Учёные смогли сравнить между собой скорость деградации 17 типов наночастиц, изучили влияние на биоразложение в организме их размера, дозы, заряда поверхности, покрытия и внутреннего строения. После введения в кровоток наночастицы накапливаются в лизосомах и медленно растворяются под действием кислоты и ферментов. Учёные показали, что скорость этого процесса очень сильно зависит от внутреннего строения материала: с помощью дизайна наночастиц можно ускорить время полной деградации с нескольких лет до одного месяца. К примеру, быстрее всего деградировали маленькие частицы с отрицательным зарядом. Среди различных полимеров, покрывающих частицы, слабее всех замедлял растворение полимер глюкуроновой кислоты, а сильнее всего — полистирол.
«Эта работа была бы невозможна без создания подхода для неинвазивной детекции магнитных частиц в организме. Измерения проводились более года. Использование классических подходов потребовало бы для подобного эксперимента более тысячи мышей, что неразумно как по этическим соображениям, так и по финансовым и человеческим трудозатратам», — отмечает Максим Никитин, один из авторов статьи, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, руководитель направления «Нанобиомедицина» Научно-технологического университета «Сириус».
Затем учёные попытались понять, что происходит с остатками наночастиц. Они обнаружили, что избыточное железо, которое образовалось при их растворении, не выводится из организма. Вместо этого у животных уменьшалось усвоение того железа, которое поступает из пищи. В результате железо от частиц полностью переходило в низкотоксичные формы, откладывалось в печени и селезёнке и, вероятно, использовалось организмом по своему усмотрению: для создания эритроцитов, регуляции метаболических процессов и других применений. Важным открытием стало отсутствие долговременной токсичности магнитных частиц для организма. Единственными изменениями, которые были обнаружены, оказались временное увеличение популяции иммунных клеток, участвующих в распознавании частиц и их переработке, а также долговременное отложение избыточного железа в печени и селезёнке.
«Тот факт, что магнитные частицы переходят в биогенное железо, — важная особенность. Её можно использовать для терапии некоторых форм анемий, — говорит Иван Зелепукин, первый автор статьи, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии РАН, выпускник МФТИ. — Наши исследования проливают свет на разумный дизайн наноматериалов с контролируемой скоростью высвобождения железа».
Исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований и является продолжением серии работ, в которых изучаются механизмы взаимодействия частиц с организмом. О предыдущих исследованиях группы можно прочитать на сайте журнала МФТИ «За науку»:
Ученые проследили за поведением наночастиц в организме
Прорывная технология российских ученых для мировой наномедицины
***
Об Университете «Сириус»
Научно-технологический университет «Сириус» развивает приоритетные направления стратегии научно-технологического развития страны: генетику и науки о жизни, когнитивные науки, информационные технологии и искусственный интеллект, математику, урбанистику. По каждому из направлений проводятся очные и дистанционные образовательные модули, школы и конференции. Создаваемые научными сотрудниками университета прототипы продуктов и технологий в среднесрочной перспективе будут формировать образ российской высокотехнологичной индустрии. Университет — часть экосистемы федеральной территории «Сириус», где объединены программы общего, профессионального высшего и дополнительного образования, ультрасовременные лаборатории, инструменты трансфера технологий и внедренческая инфраструктура.
О лаборатории нанобиотехнологий МФТИ
Лаборатория проводит исследования во многих областях, однако основной фокус направлен на разработку «умных» материалов на основе наночастиц и их практическое применение in vitro и in vivo. Имеющиеся методы и приборная база лаборатории позволяют осуществлять «полный цикл» работ по всем этапам нанобиотехнологий: от неорганического синтеза наночастиц и их покрытия различными полимерными оболочками до тестирования взаимодействия созданных наноматериалов с неживыми объектами, клеточными культурами и животными.
Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.