Взаимодействие наночастиц оксида железа с клетками. Роль стабилизации.

Низкая токсичность – одно из определяющих свойств лекарственного средства. Способов вызвать токсический эффект у наночастиц, например железа, больше, чем у растворимых веществ. Кроме токсичности, присущей веществам, входящим в состав наночастицы, токсичность может быть связана с размером, формой, свойствами поверхности наночастицы. Наночастицы обладают высокоразвитой активной поверхностью и, как следствие, высокой сорбционной емкостью. Благодаря своим размерам (менее 100 нм), сопоставимым с размерами клеток (10—100 мкм), вирусов (20—450 нм), белков (5—50 нм), ДНК (2 нм шириной, 10—100 нм длиной), наночастицы могут приближаться к биообъекту, взаимодействовать и связываться с ним[29].

Для биомедицинского применения наночастиц необходимо выполнить ряд требований: образовать устойчивую коллоидную систему в водных растворах и других биосовместимых растворителях, иметь возможность вариации параметров раствора (концентрации солей, рН и температуры) в интервалах, которые определяются целью исследования в каждом конкретном случае. Однако ввиду высокой реакционной активности для наночастиц практически не существует инертной среды. Одной из особенностей поведения наночастиц в растворе является их склонность к агрегации, поэтому практическое использование растворов наночастиц сопряжено с их стабилизацией (нанесение покрытия на поверхность магнитного «ядра», добавление стабилизаторов, подбор растворителей и т.д.)[27].

Применяемые покрытия можно разделить на органические (сурфактанты и полимеры) [1,20] и неорганические (кремнезем, углерод, благородные металлы)[8,]. Наиболее распространенными органическими покрытиями наночастиц являются декстран, полиэтиленгликоль (ПЭГ), крахмал, поливинилэтанол, гепарин, высшие карбоновые кислоты, в том числе лимонная кислота[10,11,14,25,26].

Помимо защиты от агрегации, окисления, кислотной и щелочной коррозии покрытие может играть роль спейсера для присоединения фармацевтических агентов или биомолекул к магнитному носителю. Благодаря покрытию можно модифицировать поверхность наночастиц различными функциональными группами — азидо-, амино-, карбоксильными, сульфгидрильными, гидроксильными, имидными и другими, что позволяет ковалентно связывать наночастицы с биомолекулами или лекарственными средствами[2]. Образование ионной связи наночастиц с противоопухолевыми препаратами может быть достигнуто в результате нанесения на наночастицы (уже покрытые полимером с целью стабилизации коллоидного раствора) второго слоя полимеров, поли-DL-лактид-ко-гликолида (PLGA), полилактида (PLL) или дендримеров[9]. Дополнительной важной функцией покрытия наночастиц является повышение их биосовместимости.

Так, показано, что покрытие декстраном препятствует опсонизации магнитных наночастиц клетками ретикулоэндотелиальной системы при введении их в кровоток[23,13]. Поверхностная модификация ПЭГ снижает поглощение наночастиц макрофагами и благодаря наличию полярных и неполярных группировок способствует эффективному проникновению через мембрану клетки.

Такой стабилизатор как лимонная кислота не обладает сильными поверхностно- активными свойствами, так как мала СН цепочка, но приемлема с биологической точки зрения, так как данная кислота-участник цикла Кребса, что способствует ускорению биохимического метаболизма. Также показано, что лимонная кослота обладает низкими токсическими свойствами.

Важно отметить, что иммобилизация на поверхности наночастицы приводит к стабилизации биомолекул и служит защитой от деградации их под воздействием различных факторов. Показано, что ДНК, иммобилизованная на поверхности наночастицы[28], сохраняет свою стереометрию и устойчива к действию нуклеаз[5,7]. При иммобилизации белков и ферментов на магнитных частицах их стабилизация достигается главным образом за счет стабилизации конформационной структуры и за счет предотвращения ферментативной деградации[8,15]. Благодаря малым размерам соединение с наночаcтицей не приводит к денатурации белковых молекул, что очень важно для сохранения функциональной активности и аффинитета к мишени, например при нацеливании посредством антител[12]. При поиске МРКС исследователи обратили внимание на наночастицы оксида железа, обладающие достаточной контрастирующей способностью. Среди железосодержащих МРКС выделяют: SPIO – суперпарамагнитный оксид железа; USPIO - суперпарамагнитный оксид железа в виде ультрамалых частиц и MIOH – монокристаллический оксид железа.

Препараты SPIO (Fe₂³⁺O₃) имеют кристаллическую структуру и сильно ускоряют протонную релаксацию тканей. Диаметр частиц SPIO меньше эритроцита, что позволяет им проникать через капиллярную сеть. Разработанные препараты SPIO имеют необходимые величины заряда и размера для избирательного поглощения клетками ретикуло-эндотелиальной системы (РЭС). После деградации SPIO и РЭС атомы железа включаются в состав гемоглобина эритроцитов. Количество железа, поступающего в организм в составе SPIO при диагностике, значительно ниже общей величины депо железа.

Препараты SPIO относятся к тканеспецифическим МРКС, имея тропность к РЭС и позволяя контрастировать важные органы человеческого организма( печень, селезенка, костный мозг).