Пресс-центр / новости / Наука /
Изучено старение и разрушение магнитных наночастиц в организме
Группа ученых из Лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН, МФТИ, ИОФ РАН, НИЯУ МИФИ, Университета Сириус и РНИМУ им. Пирогова провели первые широкие исследования долговременной судьбы наночастиц в организме животных. Долгое время оставалось неясным что происходит с наночастицами в организме после того, как они выполнили свою функцию. Новая разработка российских ученых позволила прояснить этот вопрос. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале ACS Nano.
Магнитные наночастицы являются распространенным объектом научных исследований для управляемой доставки лекарств и уже допущены для использования в медицине. Так, магнитные частицы являются яркими контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии (МРТ) – одном из самых востребованных инструментов функциональной диагностики в клинике. Кроме того, ряд формуляций магнитных частиц с сахарами используется для терапии железодефицитной анемии.
Рисунок 1. Метод детекции магнитных частиц. Мышь располагается областью печени и селезенки над магнитной катушкой, воздействующей на наночастицы. По магнитному отклику измеряется какое количество железа осталось в составе частиц, а какое уже вошло в состав белков организма РАН
Ученые разработали новый спектральный магнитный метод детекции, позволяющий отделять сигнал магнитных наночастиц от железа, которое в норме содержится в организме. Высокая чувствительность метода и возможность проводить измерения без смерти животных позволили впервые провести масштабное исследование и сравнить между собой скорость деградации 17 типов наночастиц. Было изучено влияние на биоразложение частиц в организме их размера, дозы, заряда поверхности, покрытия и внутреннего строения.
Так, после введения в кровоток наночастицы накапливались в лизосомах и начинали медленно растворяться под действием кислоты и ферментов. Ученые показали, что скорость этого процесса очень сильно зависит от внутреннего строения материала и с помощью дизайна наночастиц можно ускорять время полной деградации с нескольких лет до 1 месяца. Так быстрее всего деградировали маленькие частицы с отрицательным зарядом. Среди различных полимеров, покрывающих частицы, слабее всех замедлял растворение полимер глюкуроновой кислоты, а сильнее всего – полистирол. Настолько обширные исследования в области нанобиотехнологий практически не проводятся, в том числе из-за методологических проблем.
Разработанный авторами метод детекции отличается гуманностью: за счет того, что мыши в эксперименте исследуются неинвазивно, существенно снижается количество животных, необходимое для проведения всего исследования. Так, для исследования деградации одного типа наночастиц требовалось всего 3-5 мышей, а не десятки и сотни, как при использовании классических подходов анализа деградации, таких как масс-спектрометрия.
Затем ученые попытались понять, что происходит с остатками частиц, когда они перешли в биогенные формы железа. Было обнаружено, что избыточное железо, которое образовалось при растворении частиц, не выводится из организма. Вместо этого у животных уменьшалось усваивание того железа, которое поступает из пищи. В результате железо от частиц полностью переходило в низкотоксичные формы, откладывалось в печени и селезенке и вероятно использовалось организмом по своему усмотрению: для создания эритроцитов, регуляции метаболических процессов и других применений. Важным результатом являлось отсутствие долговременной токсичности магнитных частиц для организма. Единственными изменениями, которые были обнаружены - временное увеличение популяции иммунных клеток, участвующих в распознавании частиц и их переработке, а также долговременное отложение избыточного железа в печени и селезенке.
“То, что магнитные частицы переходят в биогенное железо – важная особенность, которую можно использовать для терапии некоторых форм анемий. Наши исследования проливают свет на разумный дизайн наноматериалов с контролируемой скоростью высвобождения железа”– считает Иван Зелепукин, первый автор статьи, младший научный сотрудник Лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН.
Данное исследование является продолжением серии работ лаборатории молекулярной иммунологии, в которых изучаются механизмы взаимодействия частиц с организмом. Сотрудники лаборатории на протяжении многих лет разрабатывают различные способы нацеленной доставки наночастиц и белковых молекул, а также диагностики и терапии заболеваний с использованием наноагентов.
Исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.
15 июля 2021 года