Новое средство для доставки лекарственных препаратов – золотые наноклетки
Группа ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработала новый метод доставки лекарственных веществ с помощью нанокапсул. Золотые наноклетки раскрываются и выделяют лекарственное вещество в нужном месте и в нужных дозах под воздействием лазерного излучения. Помогает им в этом «умный» полимер.
Лукреция Борджиа, чтобы отравить человека, высыпала порошок, спрятанный в ее кольце в стакан вина, небрежно оставленный без присмотра. Кольцо с ядом - золотая филигрань с кабошоном или ограненным драгоценным камнем. Из камня можно высыпать содержимое. Камень всегда огромен – настолько, что даже странно, что этого никто не замечал.
Лукреция дорого бы дала за «умную» капсулу, разработанную лабораторией Younan Xia в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Крошечная золотая клетка (nanocage) покрыта «умным» полимером, реагирующим на свет. Под действием света она открывается и выделяет свое содержимое. Если свет выключить, она снова закрывается. Гораздо более хитрый и удобный способ, чем тот, которым пользовалась Лукреция. При этом нанокапсулы слишком малы, чтобы их можно было увидеть – разве только косвенно: миллиарды частиц меняют цвет жидкости в пробирке.
В отличие от Лукреции Xia скорее целитель, чем отравитель. «Умные» наноклетки созданы для того, чтобы наполнить их лекарственными препаратами, такими как химиотерапевтические или бактерицидные средства. Выделяя строго определенные дозы лекарств только в ту ткань, для которой они предназначены, такая система доставки позволит увеличить пользу от применения препаратов, одновременно уменьшив их побочные эффекты.
Описание метода получения таких капсул и экспериментов по определению их эффективности опубликовано 1.11.2009 г. в онлайн-версии журнала Nature Materials.
Первый шаг в создании «умных» капсул – получение определенного количества серебряных нанокубов (nanocubes). Мельчайшие серебряные кубики, состоящие из одного кристалла, могут быть получены путем добавления нитрата серебра (AgNO3) к раствору, являющемуся донором электронов для ионов серебра, заставляя последние выпадать в осадок. Добавление другого химического вещества заставляет атомы серебра откладываться на одних частях центров кристаллизации чаще, чем на других. Таким образом, формируется куб с острыми гранями, а не бесформенный кусок металла.
Второй шаг – убрать все восемь углов кубика.
Серебряные нанокубы с обрезанными углами служат шаблоном для создания золотых наноклеток определенной формы. Когда кубы нагреваются в растворе HAuCl4, ионы золота из кислоты отнимают электроны у атомов серебра из нанокуба. Серебро растворяется, золото выпадает в осадок.
На серебряных кубах образуется золотое покрытие. Атомы серебра переходят в раствор через поры, образовавшиеся на местах удаленных углов кубиков.
«Самое интересное в нашем эксперименте, да и вообще в нанотехнологиях, это то, что мельчайшие золотые клетки проявляют совсем другие свойства, чем целый кусок золота», - говорит Xia. «В частности, они по-разному реагируют на свет».
Физик Майкл Фарадей был первым, кто понял, что суспензия частиц золота светится рубиново-красным светом потому, что частицы золота крайне малы. «Его оригинальный образец коллоидного раствора золота до сих пор находится в Музее Фарадея в Лондоне», - говорит Xia. «Разве это не удивительно? Прошло 150 лет, а он все еще там».
Цвет определяется физическим эффектом, называемым поверхностным плазмонным резонансом. Некоторые электроны частиц золота не привязаны к определенному атому и образуют электронный газ. Свет, падающий на эти электроны, заставляет их колебаться как единое целое. Эти общие колебания, поверхностный плазмон, имеют определенную длину волны. Длина волны соответствует определенному цвету, который мы и видим.
Поверхностный плазмонный резонанс можно настроить почти так же, как настраивают скрипку.
«Чтобы создать коллоидный раствор, Фарадей использовал твердые частицы», - комментирует Xia. «Длину резонансной волны можно настраивать, изменяя размер частиц, но только в очень узком диапазоне».
Xia решил получить волны такой длины, для которых ткани человеческого организма относительно прозрачны. В таком случае наноклетки, циркулирующие в крови, можно будет открывать с помощью света лазера, освещая им кожу.
Изменяя толщину стенок наноклеток, их цвета можно менять в более широком диапазоне, чем при использовании твердых частиц. Чем больше откладывается золота и толще становятся стенки, тем сильнее смещается цвет суспензии от красного к голубому и синему или приближается к ближней ИК-области спектра.
Команда Xia получила волну в узком диапазоне между 750 и 900 нанометрами вблизи ИК. Волны такого диапазона, с одной стороны, сильно поглощаются кровью, а с другой стороны – водой. Такие волны могут проникать в человеческое тело на глубину в нескольких сантиметров.
«Если поместить в рот красный лазерный диод, окружающие могут видеть его снаружи, так как диод имеет длину волны в 780 нанометров» - улыбается Xia. «Для этой длине волны человеческие ткани почти прозрачны».
Дальше все становится еще более удивительным. Резонанс на самом деле состоит их двух частей. На резонансной частоте свет может рассеиваться клетками, поглощаться ими, но может наблюдаться и комбинация двух этих процессов.
Подобно тому, как можно настроить поверхностный плазмонный резонанс, ученые могут отрегулировать, сколько энергии будет поглощаться и сколько рассеиваться, изменяя размер и пористость наноклеток.
Xia иллюстрирует разницу между рассеиванием и поглощением на примере прекрасного древнеримского артефакта – кубка Ликурга. Снаружи кубок имеет нефритовую окраску, но если осветить его изнутри, становится розовым.
Современный анализ показывает, что старинное стекло содержит наночастицы сплава золота и серебра, которые сильно рассеивают свет с длиной волны в зеленой части спектра. Однако когда кубок освещается изнутри, зеленый свет поглощается, и мы видим оставшуюся часть спектра, то есть преимущественно комплиментарный зеленому красный свет.
Чтобы закрывать и открывать наноклетки, ученые используют поглощение света. Поглощенный свет превращается в тепло, а наноклетки покрыты особым полимером, который реагирует на тепло определенным образом.
Полимер (поли-N-isopropylacrylamide) и его производные имеют так называемую критическую температуру. Когда полимер нагревается до такой температуры, он претерпевает трансформацию – фазовый переход.
Если температура полимера ниже критической, его цепочки проявляют гидрофильные свойства и торчат из клетки, как щетки. Они запечатывают поры наноклетки и предотвращают утечку ее содержимого. Если же температура поднимается выше критической, цепочки полимера демонстрирует гидрофобные свойства. Они сжимаются, поры наноклетки открываются, и содержимое вытекает.
«Это немного нелогично», - говорит Xia. «Обычно с повышением температуры молекулы расширяются, но здесь все наоборот».
Как и все в этой системе, полимер можно настроить. Ученые могут контролировать его критическую температуру, меняя состав. Для применения в медицине критическая температура устанавливается выше нормальной температуры тела (37 градусов С), но намного ниже 42 градусов – температуры, при которой тепло убивает живые клетки.
Дальше начинается самое интересное. Ученые протестировали свои «умные» капсулы, загрузив их яркой красной краской алазарин малиновый. Краску легко обнаружить и измерить выделившееся количество спектрометром.
Наноклетки были заполнены краской путем погружения их в раствор с температурой выше критической для полимера. Затем их поместили в ледяную ванну, чтобы полимер закрыл поры и удержал краску внутри клетки. Затем воздействием лазерного излучения клетки опять открыли: поглощенный свет разогрел золотые наноклетки до температуры выше критической и вызвал фазовый переход. Полимер сжался, поры клетки снова открылись, и краска вышла из капсулы.
В другом эксперименте ученые заполнили капсулы доксорубицином, часто применяемым противораковым средством. Добившись выхода препарата из наноклетки с помощью лазера, исследователи убили клетки рака молочной железы.
И, наконец, они провели эксперименты с ферментом, разрушающим клеточные стенки бактерий. Под воздействием такого фермента бактерии, являющиеся частью нормальной микрофлоры ротовой полости и горла, погибли.
Лукреция Борджиа, чтобы отравить человека, высыпала порошок, спрятанный в ее кольце в стакан вина, небрежно оставленный без присмотра. Кольцо с ядом - золотая филигрань с кабошоном или ограненным драгоценным камнем. Из камня можно высыпать содержимое. Камень всегда огромен – настолько, что даже странно, что этого никто не замечал.
Лукреция дорого бы дала за «умную» капсулу, разработанную лабораторией Younan Xia в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Крошечная золотая клетка (nanocage) покрыта «умным» полимером, реагирующим на свет. Под действием света она открывается и выделяет свое содержимое. Если свет выключить, она снова закрывается. Гораздо более хитрый и удобный способ, чем тот, которым пользовалась Лукреция. При этом нанокапсулы слишком малы, чтобы их можно было увидеть – разве только косвенно: миллиарды частиц меняют цвет жидкости в пробирке.
В отличие от Лукреции Xia скорее целитель, чем отравитель. «Умные» наноклетки созданы для того, чтобы наполнить их лекарственными препаратами, такими как химиотерапевтические или бактерицидные средства. Выделяя строго определенные дозы лекарств только в ту ткань, для которой они предназначены, такая система доставки позволит увеличить пользу от применения препаратов, одновременно уменьшив их побочные эффекты.
Описание метода получения таких капсул и экспериментов по определению их эффективности опубликовано 1.11.2009 г. в онлайн-версии журнала Nature Materials.
Первый шаг в создании «умных» капсул – получение определенного количества серебряных нанокубов (nanocubes). Мельчайшие серебряные кубики, состоящие из одного кристалла, могут быть получены путем добавления нитрата серебра (AgNO3) к раствору, являющемуся донором электронов для ионов серебра, заставляя последние выпадать в осадок. Добавление другого химического вещества заставляет атомы серебра откладываться на одних частях центров кристаллизации чаще, чем на других. Таким образом, формируется куб с острыми гранями, а не бесформенный кусок металла.
Второй шаг – убрать все восемь углов кубика.
Серебряные нанокубы с обрезанными углами служат шаблоном для создания золотых наноклеток определенной формы. Когда кубы нагреваются в растворе HAuCl4, ионы золота из кислоты отнимают электроны у атомов серебра из нанокуба. Серебро растворяется, золото выпадает в осадок.
На серебряных кубах образуется золотое покрытие. Атомы серебра переходят в раствор через поры, образовавшиеся на местах удаленных углов кубиков.
«Самое интересное в нашем эксперименте, да и вообще в нанотехнологиях, это то, что мельчайшие золотые клетки проявляют совсем другие свойства, чем целый кусок золота», - говорит Xia. «В частности, они по-разному реагируют на свет».
Физик Майкл Фарадей был первым, кто понял, что суспензия частиц золота светится рубиново-красным светом потому, что частицы золота крайне малы. «Его оригинальный образец коллоидного раствора золота до сих пор находится в Музее Фарадея в Лондоне», - говорит Xia. «Разве это не удивительно? Прошло 150 лет, а он все еще там».
Цвет определяется физическим эффектом, называемым поверхностным плазмонным резонансом. Некоторые электроны частиц золота не привязаны к определенному атому и образуют электронный газ. Свет, падающий на эти электроны, заставляет их колебаться как единое целое. Эти общие колебания, поверхностный плазмон, имеют определенную длину волны. Длина волны соответствует определенному цвету, который мы и видим.
Поверхностный плазмонный резонанс можно настроить почти так же, как настраивают скрипку.
«Чтобы создать коллоидный раствор, Фарадей использовал твердые частицы», - комментирует Xia. «Длину резонансной волны можно настраивать, изменяя размер частиц, но только в очень узком диапазоне».
Xia решил получить волны такой длины, для которых ткани человеческого организма относительно прозрачны. В таком случае наноклетки, циркулирующие в крови, можно будет открывать с помощью света лазера, освещая им кожу.
Изменяя толщину стенок наноклеток, их цвета можно менять в более широком диапазоне, чем при использовании твердых частиц. Чем больше откладывается золота и толще становятся стенки, тем сильнее смещается цвет суспензии от красного к голубому и синему или приближается к ближней ИК-области спектра.
Команда Xia получила волну в узком диапазоне между 750 и 900 нанометрами вблизи ИК. Волны такого диапазона, с одной стороны, сильно поглощаются кровью, а с другой стороны – водой. Такие волны могут проникать в человеческое тело на глубину в нескольких сантиметров.
«Если поместить в рот красный лазерный диод, окружающие могут видеть его снаружи, так как диод имеет длину волны в 780 нанометров» - улыбается Xia. «Для этой длине волны человеческие ткани почти прозрачны».
Дальше все становится еще более удивительным. Резонанс на самом деле состоит их двух частей. На резонансной частоте свет может рассеиваться клетками, поглощаться ими, но может наблюдаться и комбинация двух этих процессов.
Подобно тому, как можно настроить поверхностный плазмонный резонанс, ученые могут отрегулировать, сколько энергии будет поглощаться и сколько рассеиваться, изменяя размер и пористость наноклеток.
Xia иллюстрирует разницу между рассеиванием и поглощением на примере прекрасного древнеримского артефакта – кубка Ликурга. Снаружи кубок имеет нефритовую окраску, но если осветить его изнутри, становится розовым.
Современный анализ показывает, что старинное стекло содержит наночастицы сплава золота и серебра, которые сильно рассеивают свет с длиной волны в зеленой части спектра. Однако когда кубок освещается изнутри, зеленый свет поглощается, и мы видим оставшуюся часть спектра, то есть преимущественно комплиментарный зеленому красный свет.
Чтобы закрывать и открывать наноклетки, ученые используют поглощение света. Поглощенный свет превращается в тепло, а наноклетки покрыты особым полимером, который реагирует на тепло определенным образом.
Полимер (поли-N-isopropylacrylamide) и его производные имеют так называемую критическую температуру. Когда полимер нагревается до такой температуры, он претерпевает трансформацию – фазовый переход.
Если температура полимера ниже критической, его цепочки проявляют гидрофильные свойства и торчат из клетки, как щетки. Они запечатывают поры наноклетки и предотвращают утечку ее содержимого. Если же температура поднимается выше критической, цепочки полимера демонстрирует гидрофобные свойства. Они сжимаются, поры наноклетки открываются, и содержимое вытекает.
«Это немного нелогично», - говорит Xia. «Обычно с повышением температуры молекулы расширяются, но здесь все наоборот».
Как и все в этой системе, полимер можно настроить. Ученые могут контролировать его критическую температуру, меняя состав. Для применения в медицине критическая температура устанавливается выше нормальной температуры тела (37 градусов С), но намного ниже 42 градусов – температуры, при которой тепло убивает живые клетки.
Дальше начинается самое интересное. Ученые протестировали свои «умные» капсулы, загрузив их яркой красной краской алазарин малиновый. Краску легко обнаружить и измерить выделившееся количество спектрометром.
Наноклетки были заполнены краской путем погружения их в раствор с температурой выше критической для полимера. Затем их поместили в ледяную ванну, чтобы полимер закрыл поры и удержал краску внутри клетки. Затем воздействием лазерного излучения клетки опять открыли: поглощенный свет разогрел золотые наноклетки до температуры выше критической и вызвал фазовый переход. Полимер сжался, поры клетки снова открылись, и краска вышла из капсулы.
В другом эксперименте ученые заполнили капсулы доксорубицином, часто применяемым противораковым средством. Добившись выхода препарата из наноклетки с помощью лазера, исследователи убили клетки рака молочной железы.
И, наконец, они провели эксперименты с ферментом, разрушающим клеточные стенки бактерий. Под воздействием такого фермента бактерии, являющиеся частью нормальной микрофлоры ротовой полости и горла, погибли.
Smart drug delivery system -- Gold nanocage covered with polymer
Источник: www.lana.alpe.ru
Medcentre.com.ua Медицинский информационный ресурс 
Комментарии