В России изучили поведение наночастиц в живых клетках

Российские ученые предложили новый подход к оценке параметров диффузионного движения наночастиц в цитоплазме живых клеток. Они утверждают, что понимание особенностей протекания этого процесса поможет существенно продвинуться в диагностике и лечении многих заболеваний. Исследование опубликовано в Journal of Physical Chemistry Letters.

В современной медицине для диагностики и терапии различных заболеваний применяются препараты с размером частиц от 1 до 100 нанометров (1 нанометр равен 10-9 метра) во всех трех измерениях (наночастицы). Однако высокая концентрация в живых клетках различных макромолекул — белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот, известная также как "макромолекулярное скопление", значительно затрудняет понимание химических и биологических процессов с участием наночастиц в живом организме.

Из-за уменьшения свободного объема клеточного раствора вследствие скопления макромолекул, наночастицы теряют способность к нормальному распределению (диффузии) в клеточной среде и ведут себя радикально иначе, чем в пробирке. Это, в свою очередь, влияет на результаты лабораторных исследований (in vitro) наночастиц в разбавленных растворах, которые могут сильно отличаться от того, что на самом деле происходит в живых клетках (in vivo). А качество медицинской диагностики напрямую зависит от изучения поведения наночастиц, которые вводятся в организм в качестве диагностического агента, в условиях "переполненности".

Сегодня, по словам исследователей, для оценки параметров диффузии частиц чаще всего применяются методы флуоресцентной корреляционной спектроскопии и динамического рассеяния света.

Оба метода имеют ряд существенных недостатков, влияющих на точность измерений, если речь идет о мультикомпонентных растворах с высокой макромолекулярной скученностью, таких как, например, плазма крови человека. Поскольку агрегация наночастиц существенно влияет на их поведение и в пробирке, и в живом организме, необходимо установить точные параметры их диффузии и гидродинамических показателей для корректной интерпретации экспериментальных результатов.

Ученые НИТУ "МИСиС", МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЦ "Курчатовский институт", физико-технологического института РАН и РХТУ им. Д.И. Менделеева предложили использовать для анализа и оценки параметров диффузии и гидродинамических свойств наночастиц мессбауэровскую спектроскопию — метод ядерного гамма-резонанса, популярный в физическом материаловедении, геологии и химии.

Отличительная черта мессбауэровской спектроскопии — ее избирательная чувствительность к изотопу железа-57, которая позволяет точно определить коэффициент диффузии железосодержащих наночастиц различного размера практически в любой среде, независимо от прозрачности и состава раствора, концентрации компонентов или типа "скучковавшихся" макромолекул.

Для использования в качестве опытных образцов ученые синтезировали наночастицы на основе феррита кобальта с размером, сопоставимым с размером белков крови. При синтезе наночастиц использовался изотоп железа-57.

"Для эффективной работы наночастиц очень важно доставить их через гистогематические барьеры к очагу заболевания. Хорошо исследован механизм пассивной доставки за счет проникновения наночастиц через поры диаметром 50-200 нанометров. Очевидно, что наночастицы большего размера не смогут эффективно проходить через поры меньшего размера и не будут рассматриваться в качестве потенциальных лекарственных препаратов. В нашей работе мы смогли показать, что традиционные методы, такие как метод динамического рассеяния света, могут "завышать" значения размера наночастиц, что приводит к неверной трактовке получаемых данных и возможной ложной отбраковке перспективных наночастиц," — рассказал автор исследования, инженер лаборатории "Биомедицинские наноматериалы" НИТУ "МИСиС" Алексей Никитин.

Применение мессбауэровской микроскопии, по его словам, позволяет точно определять параметры диффузии металлосодержащих наночастиц в многокомпонентной среде, и поможет ученым значительно продвинуться в разработке эффективных методов диагностики и лечения многих заболеваний