Магнитные наночастицы широко используются как компоненты специальных материалов биомедицинского назначения, предназначенных для терапии и диагностики различных заболеваний, в том числе онкологических. Некоторые из материалов на основе магнитных наночастиц дошли до коммерческого использования, но большинство находится на стадии исследований и разработок.
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Эмин Джафаров, Коммерсантъ / купить фото
Доказано, что такие материалы обладают уникальными свойствами. Во-первых, с помощью наночастиц можно осуществлять направленную доставку лекарственных препаратов в биологическую мишень, что позволяет многократно снизить дозу лекарства. Во-вторых, новые материалы позволяют проводить так называемую стимул-чувствительную терапию: материал начинает оказывать лечебное воздействие в биологической мишени только при изменении внешних (физических или химических) условий. Это свойство наночастиц используют в противораковой терапии. Магнитные наночастицы посылают в пораженные клетки, а потом на эти частицы исследователи воздействуют переменным магнитным полем. Это приводит к разогреву наночастиц. Опухолевые клетки в отличие от обычных не выдерживают действия повышенных температур, на чем и основан терапевтический эффект. В-третьих, магнитные наночастицы в составе материалов позволяют проводить визуализацию новообразований с применением магнитно-резонансных методов или компьютерной томографии.
Среди широкого ряда наночастиц магнитной природы для работы выделяют наночастицы из оксидов железа. Это объясняется наличием у таких частиц хороших магнитных характеристик и доступностью методик синтеза этих частиц. Кроме того, именно на их основе могут быть созданы материалы, обладающие перечисленными выше свойствами.
При создании материалов биомедицинского назначения нужно обеспечить их биологическую совместимость с тканями организма (в том числе кровью), минимизировать токсическое воздействие материалов на организм, а также придать им определенные свойства в зависимости от конкретной области их использования. При создании гибридных частиц для терапии и диагностики опухолей на первый план выходит задача модификации их поверхности.
В 2007 году при сотрудничестве лаборатории термодинамики биосистем и Центра магнитной спектроскопии в Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля Российской академии наук была сформулирована задача исследования поведения магнитных наночастиц в растворах, содержащих белки крови. На примере ключевого белка свертывания крови фибриногена было показано, что наночастицы могут оказывать негативное воздействие на организм — вызывать тромбообразование путем закупорки сосудов вследствие образования крупных агрегатов, в состав которых входили наночастицы и фибриноген. А на примере преобладающего белка крови человека — сывороточного альбумина — был продемонстрирован обратный эффект: белковое покрытие из альбумина на поверхности магнитных наночастиц может, напротив, предотвращать угрозу тромбообразования.
На основе магнитных методов анализа коллективом были разработаны новые методики для оценки устойчивости и состава макромолекулярных покрытий на поверхности магнитных наночастиц. На последующей стадии работы, использовав свойство белков подвергаться окислению под действием активных форм кислорода, в число которых входят свободные радикалы, ученые разработали новый подход к закреплению молекул белков на поверхности наночастиц. Одновременно со связыванием белков с наночастицами, происходящим за счет физических сил, запускали свободнорадикальный (химический) процесс, в результате которого молекулы белков, физически связавшиеся с наночастицами, связывались друг с другом химическими ковалентными связями.
Первым было получено покрытие из сывороточного альбумина. Этот белок несет в организме транспортную функцию: с его помощью по кровотоку циркулируют различные соединения, в том числе лекарства. Именно он зачастую играет решающую роль в обеспечении возможности терапевтического воздействия лекарств на организм. Затем удалось свободнорадикально закрепить на наночастицах антитела. Антитела и их фрагменты в зависимости от своего состава способны связываться с теми или иными специфическими биологическими мишенями, например клетками опухоли. Будучи прикрепленными к наночастицам, антитела создают возможность нацеленной доставки наночастиц к биологическим мишеням. Позднее было доказано, что свободнорадикальный подход обеспечивает прикрепление к наночастицам ферментов с сохранением их способности ускорять биохимические реакции. Таким образом, этот подход оказался применимым к различным белкам и показал свой потенциал при разработке материалов биомедицинского назначения на основе магнитных наночастиц.
Свободнорадикальный подход — инновационный, не имеет аналогов в мире. Главными достоинствами покрытий, полученных с использованием свободнорадикального подхода, являются их устойчивость, достигаемая вследствие так называемого ковалентного сшивания молекул белков, и сохранение белками в составе покрытий природных функций.
В настоящее время с использованием подхода проведена модификация поверхности магнитных наночастиц белками для терапии и диагностики опухолей у животных. В сотрудничестве с коллегами из ФГБУ НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина Минздрава России, НИЦ «Курчатовский институт» — ИРЕА, РУДН мы доказали замедление роста опухоли при введении магнитных наночастиц, на поверхности которых свободнорадикально закреплен сывороточный альбумин, а также повышение контрастности изображений при компьютерной томографии опухоли.
Также магнитные наночастицы с белковым покрытием, закрепленным по свободнорадикальному механизму, были использованы для извлечения из образцов плазмы крови человека белка фибринолитической системы плазминогена, способствующего растворению фибринового сгустка. Эти работы являются заделом к разработке на основе наших частиц новых диагностических систем для количественных анализов показателей крови в лабораториях.
Продолжая разработку материалов для терапии и диагностики, мы ставим перед собой новую фундаментальную задачу. Она связана с изучением химического воздействия магнитных наночастиц на белки, циркулирующие в крови, а именно на их структуру. Особенности изменения структуры белков представляют научный интерес, поскольку напрямую связаны с функционированием белков в организме при попадании в кровь наночастиц, в том числе наночастиц с модифицированной поверхностью.