биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Баллада о чудо-гантелях

[27 октября, 2016 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Нет-нет, я вовсе не призываю вас отказываться от спорта и здорового образа жизни. В данной статье пойдет речь о гибридных наночастицах магнетит-золото с условным названием структуры «гантель». А чтобы текст читался легче и приятнее, он облечен в стихотворную форму (но при этом снабжен дополнительными комментариями в прозе). Добро пожаловать!

Обратите внимание!

Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.



Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано

Спонсор номинации — Фонд инфраструктурных и образовательных программ Роснано.


Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!


Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».


В колбе есть наночастицы:
Вот — золото, вот — магнетит.
Но частицы у нас не простые,
Имя им — наногибрид.

Дело в том, что частицы золота
Служат как зародыши роста.
Магнетит растет только на них,
И в итоге... «гантель»! Да, не просто!
Наночастицы магнетит-золото

Рисунок 1. Схематичное изображение гибридных наночастиц магнетит-золото со структурой типа «гантель»

Может разную форму иметь
Магнетит, что в «гантелях» получен.
Сфера, кубик, октаэдр даже —
Сей вопрос хорошо мной изучен

Действительно, если форма золота в подобных наночастицах всегда сферическая или близкая к ней, то форма наночастиц магнетита может быть самой разнообразной (рис. 2) [1–3].


Возможная форма наночастиц магнетита

Рисунок 2. Возможная форма наночастиц магнетита в составе «гантелей»: а — сферическая; б — кубическая; в — октаэдрическая. Отметка шкалы на a cоответствует 2 нм, на б — 5 нм, на в — 30 нм. Рисунки из [1–3].

Но зачем же такие гибриды
Современным ученым нужны?
Потому что бифункциональны...
Нет, расскажем подробнее мы.

Данный термин запутанный нужен
Обозначить природу в частицах
Как двойную — два типа поверхности
Есть на межфазных границах.

Вещества, прямо скажем, далекие —
Магнитный оксид и металл благородный.
Связи также по химии разные
Образуют они оба свободно.

Данные утверждения трудно проиллюстрировать картинками, однако вполне можно осмыслить логически. Поскольку магнетит — это оксид, то ковалентные химические связи он будет образовывать с кислородсодержащими соединениями, например, дофамином (рис. 3а). Золото же «знаменито» прочными ковалентными связями с серосодержащими соединениями — в качестве простейшего примера можно привести липоевую кислоту (рис. 3б). То есть, на поверхности одной и той же наночастицы-гантели могут содержаться два соединения с различными химическими свойствами — это первое проявление «бифункциональности», ее можно условно назвать химической.

Дофамин и липоевая кислота

Рисунок 3. Формулы дофамина (а) и липоевой кислоты (б)


Оба описанных вещества могут служить промежуточными соединениями-линкерами для того, чтобы пришить к наночастицами более сложные молекулы, например, белки за счет образования пептидных связей. Применение в этих целях дофамина как раз описано ниже, а липоевой кислоты — в публикациях лаборатории «Химический дизайн бионаноматериалов для медицинского применения» химического факультета МГУ [4, 5], где работает автор «Баллады о чудо-гантелях». С ее помощью на поверхности наночастиц магнетит-золото была проведена иммобилизация химотрипсина А и изучалась каталитическая активность этого фермента в присутствии магнитного поля.

Например, для борьбы с раком
Цисплатин как лекарство берут,
Трансформируют малость, затем —

Добавляют «гантели» и ждут.

В силу природы лекарства
Оно к золоту сразу идет.
Магнетита поверхность свободна,
«Своего» вещества она ждет!

Веществом антитело там будет,
Рак молочной железы оно найдет,
С антигеном в мембране свяжется, и
Благодаря цисплатину клетки убьет.

Одним из наиболее ярких примеров химической бифункциональности является статья [6]. Ее авторы использовали наночастицы магнетит-золото со структурой «гантель» для доставки платины в HER2-положительные клетки рака молочной железы. При этом магнетит был модифицирован антителами (трастузумабом), обеспечивающими адресность доставки через промежуточный линкер, содержащий дофамин и полиэтиленгликоль, а золото — серосодержащим производным лекарства цисплатина, обладающего противоопухолевой активностью за счет атомов платины (рис. 4) [7]. Наночастицы селективно накапливались в специфичных клетках (в качестве контроля использовались HER2-отрицательные клетки рака молочной железы, не экспрессирующие антигенов), а также более эффективно подавляли рост опухолевых клеток по сравнению со свободным цисплатином.


«Бифункциональная» модификация наночастиц

Рисунок 4. «Бифункциональная» модификация наночастиц магнетит-золото в работе: к магнетиту (серые сферы) присоединяли антитела к раку молочной железы (L1), к золоту (красные сферы) — производное лекарства цисплатина (L2). Рисунок из [6].


Стоит отметить, что потенциальный терапевтический эффект подобных конструкций распространяется не только на раковые клетки молочной железы. Так, в работе, выполненной в лаборатории «Биомедицинские наноматериалы» НИТУ «МИСиС», гантелевидные наночастицы магнетит-золото, модифицированные красителем (на частицах магнетита) и низкомолекулярным вектором к раку предстательной железы (на частицах золота), эффективно накапливались в соответствующих клетках, экспрессирующих простатспецифический мембранный антиген (ПСМА) и не накапливались в контрольных ПСМА-отрицательных клетках [8].

Но мы, кажется, с вами забыли,
Что не только поверхности две,
Но и свойства «гантелей» физические
Стоит также держать в голове.

Первым свойством «гантелей» мы назовем
Способность к нагреву под полем.
А поле какое? Их может быть два:
Магнитное и «световое».

Есть целый подход, на нагреве основанный,
Гипертермией его в терапии назвали —
При нагреве до температуры критической
Клетки опухоли не выживали.

Теперь мы, наконец-то, добрались до «физической» бифункциональности «гантелей». Помимо того, что в подобных структурах можно использовать химические свойства каждой из составляющих, важна также и их реакция на внешние физические воздействия, например, свет или магнитное поле. Примером такого терапевтически полезного ответа может служить гипертермия (направленный нагрев опухолевых клеток) с использованием наночастиц-«гантелей» (рис. 5) [9].


Гипертермическое воздействие на опухолевые клетки

Рисунок 5. Схематичное изображение гипертермического воздействия на опухолевые клетки с использованием наночастиц-«гантелей». Рисунок из [9].

Магнитные моменты в оксиде железа
Может вращать «внешний» магнит,
При поворотах тепло генерируя;
Этим некий процесс знаменит.

Он называется релаксацией,
Когда сам момент или частица вращается.
Частота поля выше — повороты чаще,
Тем больше тепла выделяется.

Конечно же, большинство из вас слышало о магнитной гипертермии (рис. 6). Подробнее о процессах Неелевской и Брауновской релаксации наночастиц магнетита в переменном магнитном поле, приводящих к выделению тепла, можно прочитать в «Википедии».


Релаксация наночастиц магнетита

Рисунок 6. Схематичное изображение релаксации наночастиц магнетита в переменном магнитном поле и процесса выделения тепла. Каждая из наночастиц представляет собой маленький «магнит» с двумя полюсами. Рисунок с сайта www.nanoprobes.com.

Нагреваться способно и золото,
Под лазера импульсным светом.
Резонанса плазмонного действие
Превращает в тепло свет при этом.

И если «гантели» мы в опухоль вводим,
Включаем магнитное поле иль лазер,
Частицы нагрели, — то клеток тех смерть
Увидеть могли микроскопа мы «глазом».

Речь идет о фототермальной терапии [10] с применением наночастиц золота. Корни этого подхода лежат в явлении плазмонного резонанса золота и его использовании для нагрева тканей, в которые предварительно были введены золотые наночастицы.

Но прежде, чем опухоль вылечить,
Для того, чтоб увидеть ее положение,
Частицы-гантели в диагностики методах
Тоже могут найти приложение.

Важное свойство для золота
Электронов возбуждение — плазмонный резонанс.
Попадут ли частицы внутрь клеток,
По флуоресценции увидеть есть шанс.

В самом деле, золотые наночастицы и нанокластеры сами по себе могут быть использованы для визуализации клеток методом флуоресцентной микроскопии (рис. 7) [11].


Флуоресцентная визуализация клеток

Рисунок 7. Флуоресцентная визуализация клеток с предварительно введенными в них нанокластерами золота. Рисунок из [11].


Кроме того, золотые наночастицы могут влиять на флуоресценцию расположенных в непосредственной близости от них молекул красителей [12] (например, если последние химически сшиты с поверхностью золотых наночастиц [13]), что, опять же, расширяет возможности флуоресцентной визуализации клеток. Таким же образом может быть организовано детектирование различных белков, обладающее крайне высокой чувствительностью [14].

Методом следующим будет
МРТ-диагностика тканей.
Релаксацией в них протонов воды
Магнетит, как «магнит», управляет.

Для нас это значит, что если
Частицы накопятся в тканях,
То снимки последних (особенно раковых!)
Гораздо контрастнее станут.

Если кто-то забыл о том, что такое магнитно-резонансная томография (МРТ), краткое описание метода может быть найдено по ссылке, а принцип действия контрастных агентов для МРТ — на страницах www.spbkbran.ru и slideplayer.com. На рис. 8 изображен наглядный пример «полезности» контрастных агентов для диагностики рака печени.


МРТ-изображение печени человека

Рисунок 8. МРТ-изображение печени человека до (а) и после (б) введения контрастного агента Feridex на основе наночастиц магнетита. Красным кругом и стрелками обозначено место локализации опухоли. Рисунок с сайта slideplayer.com.

Таким образом, для диагностики
Можно сразу два метода взять,
Положение и размер опухолей
Точнее определять.

Вспоминаем о терапии,
Где тоже два метода были
С «гантелей» участием, именно —
Доставка лекарств и гипертермия.

Так вот она, функциональность
Двойная для наших частиц —
И терапия, и диагностика.
Полезность не знает границ!

Мы очень надеемся, в клинике
«Гантели» их место найдут.
И сотни здоровыми ставших людей
Частицам хвалу воздадут!

Подводим итоги. Наночастицы магнетит-золото со структурой «гантель» интересны химикам, потому что:



  • могут быть модифицированы сразу двумя веществами, например, лекарственными и векторными молекулами, обеспечивающими адресную доставку лекарств в определенные типы клеток;

  • помимо адресной доставки, способны «участвовать» в еще одном терапевтическом подходе к лечению рака — гипертермии;

  • могут быть использованы для диагностики опухолей, например, методом магнитно-резонансной томографии.


Ждем результатов первых клинических испытаний лекарственных средств с участием «гантелей», а также сами активно участвуем в их разработке!

Литература

  1. Yu H., Chen M., Rice P.M., Wang S.X., White R.L., Sun S. (2005). Dumbbell-like bifunctional Au—Fe3O4 nanoparticles. Nano Lett. 5, 379–382;
  2. Liu S., Guo S., Sun S., You X. (2015). Dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles: a new nanostructure for supercapacitors. Nanoscale7, 4890–4893;
  3. Zhai Y., Jin L., Wang P., Dong S. (2011). Dual-functional Au—Fe3O4 dumbbell nanoparticles for sensitive and selective turn-on fluorescent detection of cyanide based on the inner filter effect. Chem. Commun. 47, 8268–8270;
  4. Majouga A., Sokolsky-Papkov M., Kuznetsov A., Lebedev D., Efremova M., Beloglazkina E. et al. (2015). Enzyme-functionalized gold-coated magnetite nanoparticles as novel hybrid nanomaterials: synthesis, purification and control of enzyme function by low-frequency magnetic field. Colloids Surf. B. Biointerfaces. 125, 104–109;
  5. биомолекула: «Наномеханика для адресной доставки лекарств — насколько это реально?»;
  6. Xu С., Wang B., Sun S. (2009). Dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles for target-specific platin delivery. J. Am. Chem. Soc. 131, 4216–4217;
  7. Цисплатин и карбоплатин — механизм действия препаратов платины. Сайт «Современная медицина»;
  8. Machulkin A.E., Garanina A.S., Zhironkina O.A., Beloglazkina E.K., Zyk N.V., Savchenko A.G. et al. (2016). Nanohybride materials based on magnetite-gold nanoparticles for diagnostics of prostate cancer: synthesis and in vitro testing. Bull. Exp. Biol. Med. 161, 706–710;
  9. Leung K.C., Xuan S., Zhu X. Wang D., Chak C., Lee S. et al. (2012). Gold and iron oxide hybrid nanocomposite materials. Chem. Soc. Rev. 41, 1911–1928;
  10. Shibua E.S., Hamadaa M., Murasea N., Biju V. (2013). Nanomaterials formulations for photothermal and photodynamic therapy of cancer. J. Photochem. Photobio. C: Photochem. Rev. 15, 53–72;
  11. Wang J., Zhang G., Li Q., Jiang H., Liu C., Amatore C., Wang X. (2013). In vivo self-bio-imaging of tumors through in situ biosynthesized fluorescent gold nanoclusters. Sci. Rep. 3, 1157;
  12. Кавецкая И.В., Волошина Т.В., Караванский В.А., Красовский В.И. Оптические свойства наночастиц золота. Конд. Ср. Межф. Гран. 11, 53–57;
  13. Bardhan R., Chen W., Bartels M., Perez-Torres C., Botero M.F., McAninch R.W. et al. (2010). Tracking of multimodal therapeutic nanocomplexes targeting breast cancer in vivo. Nano Lett. 10, 4920–4928;
  14. биомолекула: «Миграция энергии плазмонного резонанса: вторая жизнь оптической спектроскопии».

Автор: Ефремова Мария.

Число просмотров: 193.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Технология»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Баллада о чудо-гантелях

Ястребова Светлана — 29 октября, 2016 г. 19:59. (ссылка) (свернуть ветвь)

Есть чудесный пример медицинских стихов: https://vk.com/wall5246008_16157

(ответить)

Re: Re: Баллада о чудо-гантелях

Лариса — 30 октября, 2016 г. 10:36. (ссылка)

Действительно, чудесный )

(ответить)

Re: Баллада о чудо-гантелях

Лариса — 28 октября, 2016 г. 17:08. (ссылка)

Сперва стихотворная форма кажется немного нелепой для жанра научпопа. Но после прочтения понимаешь, что материал так здорово запоминается, что подобную форму подачи неплохо было бы использовать порою и в научпопе, и в педагогике. Спасибо за интересный подход.

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.