Наноструктуры будущего
Российские ученые создали универсальный инструмент для биомедицинской визуализации
Научный коллектив, в числе которого представители Казанского федерального университета, совершил прорыв в области наномедицины, разработав уникальные многофункциональные наноструктуры для мультимодальной визуализации. Новые наночастицы с архитектурой «ядро—оболочка», созданные на основе редкоземельных элементов, сочетают в себе люминесцентные и магнитные свойства, что открывает перспективы для революционных изменений в медицинской диагностике.
Фото: Артем Краснов, Коммерсантъ
Фото: Артем Краснов, Коммерсантъ
Исследование, опубликованное в авторитетном журнале ScienceDirect издательства Elsevier, демонстрирует инновационный подход к гидрофилизации наночастиц с использованием полиэтиленимина. Эта технология позволяет создавать стабильные коллоидные растворы, пригодные для использования в биологических средах. Особый интерес представляют магнитные свойства гадолиния, обеспечивающие контрастность при МРТ, в сочетании с люминесцентными характеристиками иттербия, эрбия и церия.
По словам одного из авторов исследования, заведующего кафедрой неорганической химии Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ Рустэма Амирова, основной целью работы является получение многофункциональных наночастиц «ядро—оболочка», которые обладают ап- и даун-конверсионной люминесценцией.
«Наличие ионов гадолиния (на основе которых создано большинство контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии, МРТ) в составе наночастиц придает им магнитные свойства. Иттербий, эрбий и церий обладают хорошими люминесцентными свойствами. В результате получаемые наночастицы сочетают в себе люминесцентные и магнитные свойства и при дальнейшей их доработке могут быть использованы в мультимодальной биовизуализации»,— уверен ученый.
В рамках исследования были созданы новые наночастицы, которые обладают структурой «ядро—оболочка». Ключевым элементом этого подхода стала гидрофилизация, выполненная с комплексным использованием дигидроксибензойной кислоты и полиэтиленимина (PEI), что позволяет наночастицам образовывать стабильные коллоидные растворы в воде и биологических жидкостях.
«Наночастицы на основе фторидов металлов, легированных ионами лантаноидов (редкоземельных металлов), имеют то преимущество, что способны объединять различные типы люминесценции и магнитные свойства в пределах структуры одной наночастицы посредством получения наночастиц структуры “ядро—оболочка”. При получении подобных наночастиц в качестве стабилизатора часто используют олеаты, что придает наночастицам гидрофобные свойства, то есть они не распределяются в воде. Поэтому для применения в биомедицине их поверхность необходимо модифицировать — сделать ее гидрофильной, так, чтобы наночастицы были устойчивы в водной среде»,— рассказывает инженер кафедры неорганической химии Химического института Рамиля Гатауллина.
Как рассказал Центру медиакоммуникаций КФУ старший научный сотрудник НИЛ «Полимерные смарт-материалы и нанокомпозиты» Александр Солодов, наночастицы, содержащие ионы гадолиния Gd3+, эффективно сокращают время релаксации протонов, что приводит к повышению контрастности изображений при использовании их в качестве контрастных веществ в МРТ.
«Редкоземельные элементы интересны своими люминесцентными свойствами, поскольку они охватывают широкий спектральный диапазон от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Это открывает возможности применения наноматериалов на их основе в качестве оптических сенсоров и биомаркеров. Кроме того, редкоземельные элементы интересны своими магнитными свойствами — из-за наличия неспаренных электронов, обладающих сильным некомпенсированным угловым моментом, что приводит к эффективной спин-орбитальной связи и значительным парамагнитным свойствам»,— объясняет Александр Солодов.
Особое внимание в исследовании уделено наночастицам со структурой «ядро—оболочка» на основе фторидов металлов, легированных лантаноидами. Авторы отмечают, что такие наночастицы способны объединять различные типы люминесценции и магнитные характеристики в одном наноматериале.
«При получении подобных наночастиц в качестве стабилизатора на стадии синтеза часто используют олеаты, что придает наночастицам гидрофобные свойства, то есть они не распределяются в воде. Поэтому для применения в биомедицине их поверхность необходимо модифицировать — сделать ее гидрофильной так, чтобы наночастицы были устойчивы в водной среде»,— прокомментировала Рамиля Гатауллина.
По словам исследователей, полученные наночастицы демонстрируют скорости релаксации, сопоставимые с коммерческими контрастными веществами, что свидетельствует о высоком потенциале для практического применения.
«Наличие ионов гадолиния в оболочке повышает функциональность, позволяя использовать их в качестве высокоэффективных контрастных агентов в Т1-взвешенной МРТ. Однако пока они неприменимы напрямую в биомедицинских исследованиях и требуют дальнейшей доработки»,— добавил Александр Солодов.
Объединение оптических сигналов и МРТ-контраста открывает новые возможности для комбинированных диагностических и терапевтических подходов. Особое значение это имеет для хирургии и флуоресцентного контроля в реальном времени, что позволяет повысить точность операций, снизить риск повреждения здоровых тканей и увеличить вероятность полного удаления патологических очагов. Кроме того, перспективы применения этих наночастиц выходят за рамки медицины.
«Подобные наночастицы “ядро—оболочка” (NaYF4:Yb/Er@NaGdF4:Ce/Tb) сочетают в себе различные типы люминесцентных и магнитных свойств в составе структуры одной наночастицы, поэтому могут быть использованы в качестве бимодальных защитных чернил для усиления мер по борьбе с подделками, в качестве мультимодальных контрастных агентов для оптической флуоресцентной микроскопии и МРТ. Также подобные наноструктуры могут служить неинвазивными удаленными датчиками температуры в пределах физиологического диапазона (35–40 градусов)»,— подчеркивает Рустэм Амиров.
Таким образом, многофункциональные наночастицы со структурой «ядро—оболочка» представляют собой перспективное направление, объединяющее оптические и магнитные методы визуализации и диагностики. Их дальнейшая доработка и изучение безопасности позволят расширить применение этих материалов в медицине и смежных областях, открывая новые возможности для точной диагностики и эффективного лечения.
Исследование осуществлялось в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», которая позволит сконцентрировать ресурсы для обеспечения вклада российских университетов в достижение национальных целей развития Российской Федерации на период до 2030 года, повысить научно-образовательный потенциал университетов и научных организаций, а также обеспечить участие образовательных организаций высшего образования в социально-экономическом развитии субъектов РФ.