Трассирующие наночастицы
Одним из наиболее важных направлений прикладных исследований в сегодняшней медицине является поиск эффективного и безопасного метода доставки лекарственных препаратов в определенные зоны организма. Некоторые из разработанных методов являются эффективными, но не всегда безопасными, другие – вполне безопасны, но часто сбоят при доставке. Разработанная исследователями из Университета штата Пенсильвания (Penn State University) технология доставки лекарств, использующая нетоксичные наночастицы, представляется свободной от указанных недостатков, и позволяет контролировать доставку препаратов по свечению высвобождающихся одновременно с ними флуоресцентным красителям.
Группа исследователей различных специальностей, в том числе материаловеды, химики, физики, биоинженеры и фармакологи, продемонстрировали, что частицы фосфата кальция размером 20-50 нанометров успешно проходят в клетки и растворяются, оставляя свой «груз» (лекарственный препарат или краситель) в клетке.
Слева – наночастицы доставляют флуоресцентный краситель в клетки эндотелия (в аорте быка), где низкий уровень pH приводит к растворению частиц фосфата кальция и высвобождению красителя. Справа – нерастворенные наночастицы.
Измерение активности частиц такого размера требует специальной техники. Группа студентов под руководством адъюнкт-профессора Питера Батлера (Peter Butler) использовала высокочастотные лазеры для измерений размеров частиц, содержащих флуоресцентные красители, вплоть до их полного растворения. Использованный метод известен в импульсной лазерной спектроскопии как подсчет одиночных фотонов с корреляцией по времени, в котором высокочастотную последовательность лазерных импульсов наносекундной длительности используют для определения времени или продолжительности флуоресценции. Группа смогла провести лабораторные измерения размеров частиц и их распределение в соляном растворе с добавками фосфатов, который имитировал состав крови.
Задача ученых состояла в изменении начального нейтрального pH раствора, идентичного крови, на более кислую среду, как, например, в слоях, окружающих сОлидные опухоли. Причем изменение pH необходимо было сделать именно в тех зонах, которые расположены непосредственно перед мембраной и отвечают за сбор наночастиц и их передачу в клетку. Как только pH снижается, кислотная среда растворяет частицы фосфата кальция. Во время процесса растворения ученые наблюдали уменьшение размеров наночастиц фосфата кальция вплоть до размеров капли красителя, находившегося внутри них, что позволило сделать вывод о пригодности метода снижения pH для высвобождения любого содержимого использованных наночастиц.
Несмотря на то, что первоначальной целью экспериментов была доставка препаратов для прицельной терапии рака, группа также была заинтересована в отработке механизма доставки различных медикаментов, в частности, для лечения заболеваний сосудов, таких, как атеросклероз и стеноз (сужение) кровеносных сосудов.
Эксперимент по доставке церамида (химиопрепарата, инициирующего гибель раковых клеток), оптимизированного и для лечения рака и для лечения сосудистых заболеваний, также имел положительный результат. Группы профессоров Марка Кестера (Mark Kester) и Йонга Юна (Jong Yun) из Медицинского центра (Penn State Milton S. Hershey Medical Center) и Медицинского Колледжа (Penn State College of Medicine) Университета Пенсильвании, используя гладкие мышцы сосудов человека in vitro и механизм доставки препаратов в наночастицах фосфата кальция, сумели уменьшить скорость роста клеток гладких мышц на 80%. При этом лекарственные дозы были в 25 раз меньше, чем при традиционном введении церамида, и не повреждали клетки.
Наночастицы-«почтальоны» из фосфата кальция были разработаны группой студентов под руководством профессора материаловедения и инжиниринга Джима Адера (Jim Adair). Эти наночастицы имеют целый ряд достоинств, которых не имеют другие системы доставки лекарственных препаратов. В отличие от квантовых точек, которые в большинстве своем состоят из токсичных металлов, фосфат кальция представляет собой безопасный минерал, существующий в природе и представленный в составе крови в довольно значительных количествах. Метод, представленный группой проф. Адера, отличается тем, что в нем использованы частицы меньшего размера, нет аггломерации наночастиц (даже в растворе они распределены равномерно), лекарственные препараты или красители вводят внутрь частиц (где они защищены), а не используют замысловатые способы размещения их на поверхности частиц-агентов. Кроме того, предлагаемый метод доставки и капсулирования не требует большого их количества дорогих лекарств и красителей.
Отмечен интересный эффект, объяснения которому у ученых пока нет: красители, доставленные к объекту внутри наночастиц, имеют в четыре раза более высокую яркость, чем изначально.
Работа над одновременной доставкой и лекарственных препаратов и красителей позволит создать новый метод контролируемой таргетной доставки препаратов. Результаты исследований и основные идеи были опубликованы в интернет-издании Nano Letters. Общее число исследователей, включая студентов, участвовавших в проекте, составило около 200 человек.
Поддержка проекту была оказана Национальным фондом научных исследований, НАСА и фирмой Keystone Nano, Inc. Часть работ была профинансирована целевыми грантами участникам проекта.
Пресс-релиз Nanoparticles Deliver Their Cargo, Then Disappear опубликован на сайте MRI.
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru по материалам NanoNewsNet
20.11.2008