ВЫПУСК 107

Исцеляющие нанотрубки: инженеры улучшают ортопедические импланты

Титан и его сплавы имеют целый ряд преимуществ перед другими материалами, используемыми в хирургии в качестве ортопедических имплантов для восстановления поврежденных костей и суставов. Они легкие, сверхпрочные и практически инертны с биологической точки зрения. Но импланты из этого серебристого металла, предназначенные для вашего колена, бедра, позвоночника или челюсти, имеют один большой недостаток.

«Титан имеет зеркально гладкую поверхность», - говорит кандидат технических наук Толоу Шокуфар (Tolou Shokufar). К такой поверхности плохо прикрепляются клетки, поэтому перед установкой в организм импланты нужно сделать шероховатыми.

Хороший способ сделать поверхность титана шероховатой – это протравить в ней нанотрубки, так как они обеспечивают великолепную поверхность для «схватывания» с клетками костной ткани, что является одним из этапов процесса восстановления. Но травление нанотрубок в титановом сплаве, который предпочитают хирурги, обходится недешево. Обычные методы требуют применения платины, стоимость которой 1700 долларов за унцию.

Темой кандидатской диссертации Шокуфар, написанной ей под руководством профессора Крейга Фридриха (Craig Friedrich), директора Multi-scale Technologies Institute, стала разработка менее дорогого способа травления нанотрубок в титановом сплаве. В слабый раствор фторида аммония она погрузила два стержня, один из сплава, другой из меди, и подключила их к источнику питания. Через медь, раствор и титановый сплав пошел электрический ток.

«Электрический ток корродирует слой диоксида титана на поверхности титана. При этом образуются трубки около семи микрон длиной и ста нанометров в диаметре», - говорит Шокуфар. Процесс роста идеальной трубки занимает около двух часов.

Затем на титановый сплав воздействуют теплом и давлением, отжигая нанотрубки, чтобы сделать их гидрофильными и придать кристаллическую структуру. Поверхность не только начинает притягивать воду: тесты показывают, что это обеспечивает «дружественную» среду для роста клеток. Шокубар проводила эксперименты с фибробластами – клетками, образующими рубцовую ткань – и продемонстрировала, что они растут на слое из ее нанотрубок в оксиде титана быстрее, чем на неизмененной поверхности титанового сплава. Далее она планирует провести аналогичный эксперимент с клетками растущей кости - остеобластами.

Так как нанотрубки химически идентичны титановому сплаву, Шокубар рассчитывает, что ее инновация будет относительно легко одобрена для медицинского применения. Разработка может быть с успехом использована и в других областях – от доставки лекарств до солнечных батарей для производства водорода.

Ее метод кажется несложным, но сначала все было совсем не так просто. «Его разработка заняла массу времени. День за днем я проводила за сканирующим электронным микроскопом, а когда ложилась спать и опускала веки, трубки стояли у меня перед глазами».

«Но этот труд стоит того, ведь я видела совершенные слои нанотрубок, растущие благодаря моим стараниям», - говорит Шокубар. «Я их просто люблю. Они как мои дети».

Здесь же можно посмотреть нанотрубки в титановом сплаве в виде слайд-шоу микроэлектронных фотографий

Оригинал статьи

Nanotubes that Heal: Engineering Better Orthopedic Implants

Нанотехнологический датчик ацетона определяет диабет по выдыхаемому воздуху

Ученые сообщают о разработке и успешном испытании датчика, который мгновенно выдает информацию, есть ли у человека диабет 1 типа. Его могут использовать и врачи скорой помощи, чтобы определять, не развился ли у пациента диабетический кетоацидоз, серьезное осложнение, возникающее, если пациент получает недостаточное количество инсулина. Такая технология в будущем может использоваться больными и на дому для уточнения необходимой дозы инсулина.

О новом датчике сообщается в журнале ACS Analytical Chemistry.

Профессор Сотирис Е. Пратсинис (Sotiris E. Pratsinis) и его коллеги из Федеральной политехнической школы Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule - ETH Zürich), Швейцария, объясняют, что каждый человек с дыханием выделяет небольшое количество ацетона. Но люди, страдающие диабетом 1 типа, выдыхают чрезвычайно высокие уровни этого химического вещества. Если у них диабетический кетоацидоз, опасное накопление ацетона в крови, его уровень в выдыхаемом воздухе становится еще выше.

Группа Пратсиниса получила чрезвычайно чувствительный детектор ацетона, поместив между золотыми электродами тонкую полупроводниковую пленку из смеси керамических наночастиц. Пленка-детектор состоит из сверхчувствительных чистых и допированных кремнием наночастиц WO₃ диаметром 10-13 нанометром.

Устройство работает как электрический резистор. Когда в него попадает наполненный ацетоном воздух, его сопротивление падает, позволяя большему количеству электричества проходить через золотые электроды. Если в датчик дышит больной диабетом человек, сопротивление резко падает. Если же на наночастицы попадает воздух из легких здорового человека, сопротивление пленки изменяется незначительно. Ученые пришли к выводу, что новый сенсор может определять ацетон в чрезвычайно влажном воздухе – показатель очень важный для любого анализа дыхания. Устройство достаточно чувствительно, чтобы определять 20 частей ацетона на миллиард, то есть концентрацию в 90 раз более низкую, чем тот уровень ацетона, который может быть обнаружен в выдыхаемом диабетиками воздухе.

Аннотация к статье: Righettoni et al. Si:WO3 Sensors for Highly Selective Detection of Acetone for Easy Diagnosis of Diabetes by Breath Analysis

Оригинал статьи

Nanotech breath sensor detects diabetes and potentially serious complication

«Наносоты» из кремнезема помогают антителам убивать раковые опухоли

Результаты нового исследования свидетельствуют о том, что упаковка противораковых препаратов в частицы химически модифицированного мезопористого кремнезема усиливает их способность бороться с раком кожи у мышей. Исследование, опубликованное в он-лайн издании журнала Journal of the American Chemical Society, демонстрирует, что сотовидные частицы помогают противораковым антителам предотвращать рост опухоли и увеличивают продолжительность жизни мышей.

«Нас очень радуют наши предварительные результаты», - говорит биохимик Ченгхонг Леи (Chenghong Lei) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory - PNNL) Министерства энергетики США, член группы, состоящей из ученых из PNNL и Университета Вашингтона (University of Washington). «Мы планируем провести дополнительные, более широкие исследования на животных и надеемся, что результаты окажутся достаточно высокими, чтобы в ближайшее время перейти к клиническим испытаниям».

Противораковые антитела – один из самых перспективных видов терапии рака. Мишенью антител является специфический белок на раковой клетке, связавшись с которым антитела - невыясненным пока в деталях образом – убивают клетку. Примерами препаратов, направленных на определенный белок, могут служить герцептин для одной из форм рака груди и цетуксимаб для рака толстой кишки.

Однако основанная на применении антител терапия требует их капельного внутривенного введения. Такие лечебные курсы требуют времени и денег и сопровождаются воздействием антител на здоровые ткани, вызывая побочные эффекты.

Упаковка антител в частицы концентрирует их в опухоли и, возможно, уменьшает побочные эффекты. В ходе других исследований были показано, что кремний хорошо переносится клетками, животными и людьми. Поэтому в сотрудничестве с группой биолога-онколога Карла Эрика Хелльштрома (Karl Erik Hellstrom) из Университета Вашингтона ученые провели исследование по применению частиц из материала, называемого мезопористым кремнеземом, против рака у мышей.

«Мезопористый кремнезем представляет собой сотообразные структуры, в которые можно упаковать огромное количество отдельных молекул лекарственного вещества», - говорит специалист в области материаловедения из PNNL Джан Лиу (Jun Liu). «Мы уже занимались этим материалом для решения проблем в сфере энергетики и окружающей среды, но, кажется, он самой природой предназначен для доставки лекарств».

В предыдущей работе исследователи создали частицы, содержащие наноразмерные гексагональные поры, заполненные антителами, ферментами или другими белками. Немаловажно, что заполнение таких пор небольшими химическими группами помогает задерживать белки внутри. Но не на постоянно – белки медленно просачиваются из поры, как из капсулы замедленного действия.

Исследователи проверили, будут ли противораковые антитела, упакованные в модифицированный мезопористый кремнезем, более эффективны, чем свободно плавающие в ткани опухоли.

Для этого они сначала химически модифицировали частицы мезопористого кремнезема до размера от 6 до 12 микрометров (около одной десятой толщины человеческого волоса). Такие частицы содержали поры диаметром около 30 нм. Они обнаружили, что степень и выбор химической модификации определяют, как быстро антитела высвобождаются из частицы – свойство, которое можно использовать для тонкой настойки на различные лекарственные препараты.

Дополнительные биохимические тесты показали, что антитела, выделяемые из кремнеземных «сот», оказались структурно неповрежденными и функционировали должным образом.

Затем ученые проверили частицы на опухолях мышей, наполнив их антителами CTLA4, применяемыми для борьбы со многими формами рака, включая меланому – рак кожи. Они инъецировали свои упакованные антитела в опухоли животных. В контрольных группах в опухоли вводились свободные антитела и пустые кремнеземные частицы.

Упакованные в FMS (функционализированный мезопористый кремнезем) антитела наиболее активно угнетали рост опухолей. Лечение было начато при объеме опухолей в 27 мм³. Не леченые опухоли достигали 200 мм³ за 5 дней. Опухоли, леченные свободными антителами, достигали объема в 200 мм³ на 9-ый день, показывая, что антитела действительно замедляют рост опухоли. Но опухоли, леченные упакованными антителами, не достигали 200 мм³ до 30-го дня – значительное улучшение в сравнении со свободными антителами.

Исследователи повторили эксперименты и обнаружили, что лечение увеличивает и продолжительность жизни больных животных. Из пяти мышей, которые подвергались воздействию только частицами, все умерли в течение 21 дня после лечения. Но из пяти животных, леченных упакованными антителами, на 21 день были живы три, при этом две мыши были живы и на 34-ый день, когда эксперимент был закончен.

Исследователи также измерили количество антител, оставшихся в опухолях. На второй и четвертый дни после инъекций ученые нашли в опухолях значительно больше антител, если они были заключены в наночастицы.

Сейчас ученые проверяют на мышах другие сочетания пар антител и форм раковых опухолей. Особенно это относится к другим формам рака, образующим солидные опухоли, таким как рак молочной железы. Они также собираются исследовать, как доставляемые таким образом антитела в целом влияют на иммунную систему, борющуюся с раком.

«Мы хотим понять сам механизм, так как о том, какие изменения в иммунной системе или в микроокружении в опухоли вызывают медленно выделяющиеся антитела, известно очень немного», - говорит Хелльштром.

Наноразмерный химический орнамент (конусы) замедляет высвобождение противораковых антител (голубые) из функционализированного мезопористого кремнезема (оранжевый) (художественное изображение без соблюдения масштаба).

Аннотация к статье Chenghong Lei, Pu Liu, Baowei Chen, Yumeng Mao, Heather Engelmann, Yongsoon Shin, Jade Jaffar, Ingegerd Hellstrom, Jun Liu, Karl Erik Hellstrom, Local release of highly loaded antibodies from functionalized nanoporous support for cancer immunotherapy

Оригинал статьи

Silica cages help anti-cancer antibodies kill tumors in mice

Синтетические биоматериалы имитируют клеточные мембраны для использования в наномедицине

Международная группа исследователей, руководимая химиками и инженерами из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania), составила библиотеку синтетических биоматериалов, имитирующих клеточные мембраны и являющихся перспективными в таких областях, как адресная доставка противораковых препаратов, генная терапия, изучение белков, разработка средств визуализации и диагностических агентов, безопасная для организма косметика, в быстро развивающемся направлении - наномедицине.

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature.

Исследование дает первое описание получения, структуры, самоорганизации и механических свойств везикул и других сложных нанокомплексов, полученных из дендримеров Януса.

Так называемые дендримеросомы - стабильные, двухслойные пузырьки, которые спонтанно формируются из определенных химических соединений - дендримеров Януса. Ученые сообщают о мириадах бислойных капсул, одинаковых по размеру и форме, стабильных во времени и при большом разнообразии сред и температур, регулируемых температурой и химической средой, с превосходными механическими свойствами по сравнению с обычными липосомами и непроницаемых для инкапсулированных соединений. Они совместимы с порообразующими белками, могут собираться в единое целое со структурообразующими фосфолипидами, образовывать блок-сополимеры и представляют собой молекулярную периферию, пригодную для химической функционализации без ущерба для процесса их самоорганизации.

Чтобы создать амфифильные дендримеры Януса с богатой палитрой форм, включающей кубосомы, диски, трубчатые везикулы и спиральные ленты, соавторы работы химик Вирджил Перкес (Virgil Percec) и биоинженер Дэниэл Хаммер (Daniel A. Hammer), оба из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania), вместе с Фрэнком Бейтсом (Frank Bates) и Тимоти Лоджем (Timothy Lodge) из Университета Миннесоты (University of Minnesota), а также Михаэлем Кляйном (Michael Klein) из Университета Темпла (Temple University) и Кари Риссаненом (Kari Rissanen) из Университета Ювяскуля (Jyväskylä University), Финляндия, химически связали гидрофобные и гидрофильные дендроны и подтвердили существование этих структур, использовав методы криогенной трансмиссионной электронной и флуоресцентной микроскопии.

Дендримеросомы сочетают в себе свойства стабильности и механической прочности, полученные ими от полимеросом, пузырьков из блок-сополимеров, с биологической функциональностью стабилизированных фосфолипидных липосом, сохраняя при этом превосходную однородность размера, легкость образования и химической функционализации, говорит профессор Перкес, заведующий кафедрой химии Университета Пенсильвании.

«Такие материалы особенно перспективны, так как их мембраны имеют толщину естественных двухслойных мембран, но их свойства более совершенны, и их можно настраивать», - говорит Хаммер, профессор биоинженерии в Университете Пенсильвании. Благодаря толщине в такие мембраны гораздо легче встраивать биологические компоненты, например, рецепторы или ионные каналы.

«Ни один из других классов молекул, включая блок-сополимеры и липиды, не способен к сборке в воде в такое разнообразие супрамолекулярных структур», - говорит профессор Бейтс, декан факультета химического машиностроения и материаловедения Университета Миннесоты.

Самоорганизующиеся наноструктуры, получаемые из природных и синтетических амфифилов, все в больше и больше применяются в качестве аналогов биологических мембран и способны осуществлять адресную доставку лекарственных препаратов, нуклеиновых кислот, белков, генов и средств визуализации для медицинской диагностики. Однако перед учеными стоит задача: разработать точные молекулярные структуры, способные функционировать в качестве переносчиков грузов, и одновременно являющиеся безопасными для организма.

Комплексы из дендримеров Януса имеют ряд преимуществ перед другими конкурирующими технологиями в области доставки лекарств. Липосомы имитируют клеточные мембраны, получаемые из натуральных фосфолипидов или из синтетических амфифилов, включая полимеросомы. Но липосомы нестабильны даже при комнатной температуре и сильно отличаются по размеру, требуя утомительной стабилизации и фракционирования для всех практических применений. Полимеросомы, напротив, стабильны, но полидисперсны, и многие из них не являются биосовместимыми. Чтобы совместить лучшие качества тех и других для применения в наномедицине, нужны научные усилия. Дендримеросомы стабильны, монодисперсны и универсальны. Они значительно продвигают вперед науку о самоорганизующихся наноструктурах в сфере их применения в биологии и медицине.

Крио-TEM и 3-D изображения полигональных дендримеросом (A и D). Кубические частицы (B и E) сосуществующие с низкой концентрацией сферических дендримеросом (С и F). Мицеллы (G и J). Трубчатые дендримеросомы – игольчатые, лентообразные и спиральные (H и K). Дискообразные и тороидные мицеллы (I и L).

Аннотация к статье Virgil Percec et al. Self-Assembly of Janus Dendrimers into Uniform Dendrimersomes and Other Complex Architectures

Оригинал статьи

Synthetic Biomaterials Mimic Cellular Membranes: Use in Nanomedicine, Drug Delivery

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии». Часть моих переводов принадлежат NANO NEWS NET и при их перепечатке просьба ссылаться на этот ресурс.