Российские ученые предложили новый подход к оценке параметров диффузионного движения наночастиц в цитоплазме живых клеток. Исследователи отмечают, что понимание особенностей протекания этого процесса in vitro и in vivo поможет существенно продвинуться в диагностике и лечении многих заболеваний. Исследование опубликовано в Journal of Physical Chemistry Letters.
Высокая концентрация в живых клетках различных макромолекул (белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот), известная также как «макромолекулярное скопление», значительно затрудняет понимание химических и биологических процессов, происходящих в организме человека в наночастицами (наноформулированных препаратами), которые используются в медицине как для диагностики, так и для терапии различных заболеваний. Из-за уменьшения свободного (незанятого) объема клеточного раствора вследствие скопления макромолекул наночастицы теряют способность к нормальному распределению (диффузии) в клеточной среде и ведут себя радикально иначе, чем в пробирке. Это, в свою очередь, влияет на результаты лабораторных исследований (in vitro) в разбавленных растворах, которые могут сильно отличаться от того, что на самом деле происходит в живых клетках (in vivo). Изучение поведения наночастиц, которые вводятся в организм, например, в качестве диагностического агента, в условиях “переполненности” очень важно, так как от этого напрямую зависит качество диагностики.
На сегодняшний день самыми популярными методами оценки параметров диффузии частиц являются флуоресцентная корреляционная спектроскопия и динамическое рассеяние света. Оба метода имеют ряд существенных недостатков, влияющих на точность измерений, если речь идет о мультикомпонентных растворах с высокой макромолекулярной скученностью, например, плазме крови человека. Поскольку агрегация наночастиц существенно влияет на их поведение как in vitro, так и in vivo, установление точных параметров их диффузии и гидродинамических показателей необходимо для корректной интерпретации экспериментальных результатов.
Ученые НИТУ «МИСиС», МГУ им. М.В. Ломоносова, НИЦ «Курчатовский институт», физико-технологического института РАН и РХТУ им. Д.И. Менделеева предложили использовать для анализа и оценки параметров диффузии и гидродинамических свойств наночастиц мёссбауэровскую спектроскопию – метод ядерного гамма-резонанса, популярный в физическом материаловедении, геологии и химии. Отличительной чертой мёссбауэровской спектроскопии является ее избирательная чувствительность к изотопу железо-57, которая позволяет точно определить коэффициент диффузии железосодержащих наночастиц различного размера практически в любой среде, независимо от прозрачности и состава раствора, концентрации компонентов или типа «скучковавшихся» макромолекул.
Эта особенность мёссбауэровской микроскопии позволяет проводить точный анализ поведения железосодержащих наночастиц, которые широко применяются в медицине, в т.ч. для адресной доставки лекарств, проведения диагностики методом магнитно-резонансной томографии (МРТ), а также лечении методом гипертермии.
Для использования в качестве опытных образцов ученые синтезировали наночастицы на основе феррита кобальта с размером, сопоставимым с размером белков крови. При этом при синтезе наночастиц был использован изотоп железо-57.
«Одно из важнейших условий для эффективной работы наночастиц-обеспечить возможность их доставки через гистогематические барьеры к очагу заболевания. Хорошо исследованным механизмом является пассивная доставка, которая обеспечивается за счет проникновения наночастиц через поры диаметром 50-200 нм. Очевидно, что наночастицы большего размера не могут эффективно проходить через поры меньшего размера и не будут вероятнее всего рассматриваться в качестве потенциальных лекарственных препаратов. В нашей работе мы смогли показать, что традиционные методы, такие как метод динамического рассеяния света, могут «завышать» значения размера наночастиц, что приводит к неверной трактовке получаемых данных и возможной ложной отбраковке перспективных наночастиц», – поясняет автор исследования, инженер лаборатории «Биомедицинские наноматериалы» Алексей Никитин.
Применение данного метода позволяет точно определять параметры диффузии металлосодержащих наночастиц в многокомпонентной среде, и позволит значительно продвинуться в разработке эффективных методов диагностики и лечения многих заболеваний, уверены авторы исследования.