Ученые разработали новый вид люминесцентных наночастиц, приспособленных для транспорта лекарств в опухолевые ткани и визуального контроля лечения. В отличие от многочисленных своих аналогов эти пористые кремниевые наноструктуры не токсичны, биоразлагаемы, а их метаболиты хорошо выводятся из организма почками.

В современной нанобиомедицине сформировался огромный пласт работ, посвященных использованию наночастиц для направленной доставки лекарств, диагностики и неинвазивного контроля процессов лечения. Ученые уже научились "видеть" наночастицы внутри живого организма, инкапсулировать в них лекарства или наоборот, покрывать их лекарственными агентами, и даже создавать наночастицы, растворяющиеся в организме. Однако основная проблема  – это необходимость сочетания всех этих свойств в одном типе наночастиц, поскольку каждое из них чрезвычайно критично для здоровья пациента и результатов нанотерапии.

Несмотря на сложность такой задачи, перспективы биомедицинской практики с использованием наночастиц, многочисленные изобретения и успехи в этом направлении заставляют ученых прилагать усилия для того чтобы все же изыскать подходящие решения.

Наиболее узким местом использования наночастиц в направленной доставке лекарств оказывается контроль дальнейшей "судьбы" тех частиц, которые не достигли в процессе распределения в органах пораженной заболеванием цели. Большой вклад в этот негативный эффект вносит фагоцитарная система организма, распознающая и инкапсулирующая чужеродные объекты. Результатом этого становится токсическое действие препарата. К тому же частицы, не выполнившие свою функцию, не имеют способности к биоразложению и образованию легко выводимых из организма нетоксичных метаболитов.

Американские ученые из Калифорнийского и Массачусетского университетов создали лекарство на основе пористых кремниевых люминесцентных наночастиц, акцентируя внимание именно на проблеме биоразложения и выведения не достигших цели лекарственных частиц. Частицы были изготовлены с помощью воздействия электрического тока на монокристаллические кремниевые пластины (электрохимическое травление), с последующей обработкой ультразвуком. После фильтрования полученная субстанция состояла из наночастиц диаметром около 120 нм, содержащих 5–10 нм поры. Дополнительное кварцевое покрытие наночастиц придало им свойство фотолюминесценции в ближней инфракрасной части спектра (650–900 нм), которая очень удобна в работе in vivo, поскольку ни ткани, ни органы не поглощают фотолюминесценцию в этой области. Вообще, люминесцентные материалы обладают большей фотостабильностью (способностью многократно и долговременно сохранять качественное излучение), чем флуоресцентные материалы (такие как широко распространенный флуоресцеин или цианиновые флуорофоры).

Полученные наноструктуры прекрасно адсорбировали лекарственные вещества, и в то же время не уступали в интенсивности фотолюминесценции водорастворимым кремний-кварцевым люминесцентным аналогам, что позволяет проводить одновременный мониторинг аккумуляции наночастиц в тканях и определять эффективность биоразложения.

Проведенные исследования in vivo (мышиные модели раковых заболеваний) с использованием известного противоракового агента доксорубицина продемонстрировали успешное попадание лекарства в опухолевые ткани. Наночастицы через некоторое время самостоятельно переходят в растворимую форму (с образованием кремниевой кислоты) и полностью выводятся из организма (почечный клиренс 1–4 недели), не проявляя никаких следов токсического воздействия. Отсутствие токсичности является прямым следствием того, что время выведения наночастиц в данном случае значительно меньше, чем при лечении с использованием с углеродных нанотрубок, наночастиц золота и квантовых точек.

В полученных растворимых наночастицах ученые видят важный объект для дальнейшей разработки многофункциональных наноструктурированных лекарств.

Источники:

Лигатированные красителем наночастицы позволяют определить концентрацию кислорода в тканях и клетках с высокой точностью.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2741; doi: 10.1002/anie.200805894

Кислород является важным участником процессов, протекающих в живых клетках, однако, как кислородное голодание ткани, так и его избыточное количество в клетке может приводить к развитию различных патологических процессов.

Таким образом, определение содержания кислорода в клетках и тканях является важной, хотя и не очень простой задачей для химиков-аналитиков. Группа исследователей под руководством Джейсона МакНейлла (Jason McNeill) из Клемсоновского Университета (США) разработала новую методику, в основе которой лежат модифицированные красителем наночастицы. Как сообщают разработчики, разработанная ими методика позволяет очень точно осуществлять количественное определение содержания кислорода.

Сенсоры для определения кислорода на основе наночастиц обычно построены следующим образом: флуоресцентный краситель инкапсулирован в полимерную частицу или частицу из силикагеля, защищающую краситель от веществ, находящихся в клетке.

Исследователи из США разработали новую архитектуру наночастиц: они использовали полимер, в котором реализовывалось π-сопряжение. Из этого полимера были получены наночастицы, лигатированные чувствительным к кислороду красителем – платинопорфириновым комплексом. При облучении полимер эффективно поглощает световую энергию и передает её на краситель. Такой подход позволил получить частицы, фосфоресцирующая способность которых в 5-10 раз превышает аналогичные параметры сенсоров кислорода на основе наночастиц. Излучение света новыми сенсорами в 1000 раз превышает излучение, характерное для ранее известных сенсоров.

Новые частицы обладают большой чувствительностью по отношению к кислороду. В растворе, насыщенном азотом, наблюдается интенсивное красное излучение. При введении в систему кислорода его взаимодействие с красителем понижает фосфоресценцию. Большие количества кислорода приводят к большему гашению фосфоресценции. Это обстоятельство позволило ученым определить зависимость интенсивности фосфоресценции от концентрации кислорода, причем качественное заключение на уровне "высокая-низкая" концентрация кислорода можно сделать без помощи приборов, невооруженным глазом.

Источники:

Группа исследователей из Института биоинженерии и нанотехнологий (Сингапур) представила методику синтезирования флуоресцентных нанокластеров золота, которые могут применяться в качестве биологических меток. Диаметр созданных учеными кластеров составляет менее одного нанометра (напомним, что лишь единичные образцы полупроводниковых квантовых точек, использующихся в настоящее время для визуализации процессов на микроуровне, имеют диаметр менее 3 нм).

Микроснимок нанокластеров, сделанный с помощью просвечивающего электронного микроскопа (изображение получено авторами исследования)

Золотые образования таких размеров можно помещать непосредственно в ядра клеток, что, в свою очередь, позволяет проводить прямой анализ эффективности генной и лекарственной терапии. "Нанокластеры золота — перспективный материал для исследований in vivo, — говорит один из авторов работы Цзяньпин Се (Jianping Xie). — Они более компактны, менее токсичны и обладают лучшей биологической совместимостью, чем неорганические квантовые точки".

Получение нанокластеров по новой методике идет при температуре 37^oC. В водный раствор тетрахлороаурата водорода HAuCl₄ при постоянном помешивании добавляется раствор бычьего сывороточного альбумина (распространенного и доступного белка); через две минуты к смеси добавляется гидроксид натрия NaOH. "Протеин реагирует с ионами золота в водном растворе, образуя "основу" для формирования нанокластеров", — объясняет Юаньган Чжэн (Yuangang Zheng), еще один участник исследования. Реакция продолжается при активном перемешивании и завершается через 12 часов.

Как отмечают авторы, разработанный ими процесс получения нанокластеров экологичен, малозатратен и прост. Максимум фотоэмиссионного спектра для сформированных нанокластеров располагается около отметки 650 нм, попадая, соответственно, в красную область. Золотые образования сохраняют химическую стабильность и в водном растворе, и на воздухе.

Полная версия отчета ученых опубликована в апрельском номере издания Journal of the American Chemical Society.

Источник: