Исследование физических свойств и биодеградации наночастиц магнетита in vitro

УДК 57.089:621.318

М. В. Афонин, Н. В. Евреинова, Д. В. Королев, А. Д. Канарский, М. М. Галагудза

Исследование физических свойств и биодеградации наночастиц магнетита in vitro

Ключевые слова: магнитные наночастицы, магнетит, биодеградация. Keywords: magnetic nanoparticles, magnetite, biodegradation.

Большую роль в жизненном цикле любой наночастицы, находящейся в живом организме, играет ее способность к биодеградации и выведению. В работе изучена способность к биодеградации наночастиц магнетита in vitro. Показано, что под действием ионного состава солей буфера Кребса-Хенселейта проистекает медленная деградация наночастиц магнетита и железо переходит в ионный состав. Полученные данные не позволяют ответить на вопрос о полной метаболизации таких наночастиц.

Введение

В настоящее время достигнуты значительные успехи в использовании магнитных наночастиц (МНЧ) в медицине [1], в частности синтезирован широкий спектр магнитных наночастиц на основе металлов Co, Fe, Ni, оксидов и ферритов [2].

Наиболее широкое применение в биомедицине получили МНЧ оксида железа, что обусловлено их низкой токсичностью и стабильностью физических характеристик [3]. МНЧ уже зарекомендовали себя в медицинской визуализации, диагностике и терапии. Имеются данные о том, что МНЧ позволяют дифференцировать опухоли от окружающих здоровых тканей с помощью двух механизмов — пассивного и активного «прицеливания» [4]. Использование контрастных веществ на основе МНЧ в магнитно-резонансной томографии позволяет визуализировать воспаление различной этиологии в нервной системе, почках, кишечнике, легких, печени, костной и жировой тканях [4—8]. Кроме того, МНЧ применяются в следующих областях медицины: 1) направленная доставка химиопре-паратов в онкологии; 2) направленная термочувствительная химиотерапия [9]; 3) магнитная фотодинамическая терапия [10]; 4) флуоресцентная визуализация [11]. Вопрос эффективности применения препаратов-кардиопротекторов, иммобили-зированных на поверхности МНЧ, в литературе представлен единичными работами. В работе Zhang

и соавт. [12] продемонстрирована эффективность использования МНЧ в качестве транспортера для эндотелиального фактора роста сосудов на модели лигирования коронарной артерии у крысы.

Встречается большое количество работ, в которых наряду со свойствами МНЧ исследуется их биораспределение in vivo [13]. В некоторых работах описываются такие частицы, покрытые биодегра-дирующей полимерной оболочкой [14]. При этом большую роль в жизненном цикле любой наноча-стицы, находящейся в живом организме, играет ее способность к биодеградации и выведению [15].

Целью настоящей работы является изучение способности к биодеградации наночастиц магнетита in vitro.

Объекты исследования

В работе исследовались наночастицы магнетита, синтез и свойства которых описаны авторами в статье [16]. При этом удалось добиться наиболее однородного состава нанопорошка магнетита.

Как видно из рис. 1, наночастицы имеют средний размер 7—10 нм. Расчетная удельная поверхность такого материала равна 130 м2/г. Измеренная по упрощенному методу БЭТ на установке Кляч-

Рис. 1 | Микрофотография нанопорошка магнетита

№ 3(39)/2015 |

биотехносфера

Клиническая лабораторная диагностика

33

ко—Гурвича удельная поверхность равна 95 м2/г. Следовательно, количество крупных частиц-агломератов можно оценить как

(1 - 95 / 130 ) 100 % = 27 %.

Впоследствии крупную фракцию удаляли седиментацией. Коллоидный раствор, содержащий мелкую фракцию, декантировали.

Методика проведения эксперимента

Биодеградации наночастиц магнетита in vitro исследовали по методике, изложенной авторами в работе [17] и применявшейся к наночастицам аэросила А-380.

Порошок наночастиц магнетита диспергировали в течение 5 мин при помощи ультразвукового диспергатора УЗД-2 в буфере Кребса-Хенселейта, широко используемом для перфузии изолированного сердца млекопитающих [18]. Полученный коллоидный раствор имел концентрацию 1 мг/мл, рН = 7,4 и солевой состав, близкий к солевому составу крови.

Концентрация компонентов модифицированного буферного раствора Кребса-Хенселейта для перфузии изолированного сердца млекопитающих, ммоль

Na+................................... 143,0

K+........................................................................5,9

Ca2+......................................................................1,2

Mg2+....................................................................1,2

Cl-.................................... 125,1

НСО3-................................. 25,0

S042-....................................................................1,2

Н2РО4-................................................................1,2

Глюкоза..................................................11,0

Эксперимент проводили при перемешивании механической мешалкой в полимерном стаканчике объемом 100 мл на водяной бане при температуре 37 °С. Периодически отбирали пробы по схеме, показанной на рис. 2. Пробы замораживали и отправляли на анализ.

Пробы размораживали и центрифугировали. Полученный раствор анализировали на совместное содержание катионов Fe2+ и Fe3+ фотоколориметрическим методом в присутствии сульфосалици-ловой кислоты в аммиачной среде по методике, изложенной в ГОСТ 35514-2013, ГОСТ 26473.3-85 и ГОСТ 11930.7-79.

о 1

Рис. 2 Схема эксперимента и отбора проб: I — забор пробы; I — перемешивание (5 ч);

Предварительную калибровку проводили по навеске карбонильного железа, растворенного в смеси кислот соляной и азотной 1 : 1. Концентрация сульфосалициловой кислоты составляла 20 мас %. Раствор аммиака доливали исходя из соотношения 1 : 1. Приготовленный из навески раствор (1000 мл) отбирали пипеткой (аликвотами 1, 0,8, ..., 0,2 мл) в колбы по 100 мл. Затем добавляли 10 мл раствора сульфосалициловой кислоты и раствор аммиака до появления желтой окраски + избыток (всего 25 мл). Через 20 мин измеряли оптическую плотность растворов. Затем приготовление растворов повторяли.

Для анализа брали по 0,5 мл исследуемого раствора. На каждую пробу анализ проводили по 3 раза. После этого данные усредняли.

Результаты и их обсуждение

Результаты анализа количества растворенного железа приведены в таблице и на рис. 3.

Результаты эксперимента показывают, что наблюдаются постепенная деградация наночастиц магнетита под действием солей буфера Кребса— Хенселейта и переход железа в виде катионов в раствор. При этом концентрация растворенного железа имеет существенно низкое значение по сравнению

Таблица Результаты анализа количества растворенного железа в пробах

Проба Оптическая плотность пробы Расчетная концентрация железа в растворе, мг/л Концентрация растворенного железа, мг/л

Исходный буфер Кребса-Хенселейта 0,0457 0,0340 0

Исходный коллоидный раствор 0,0573 0,0631 0,0291

5 ч 0,0587 0,0664 0,0324

10 ч 0,0607 0,0714 0,0374

15 ч 0,0657 0,0839 0,0498

20 ч 0,0663 0,0855 0,0515

0,06

£ 0,05

0,04

0,03

0,02

10 15

Время, ч

20

25

— хранение при пониженной температуре (замораживании; 0, 1, 2, 3, ... — сутки

Рис. 3

Кривая биодеградации наночастиц магнетита in vitro

2

3

5

0

биотехносфера

| № 3Ç39)/2015

о

M H

О

0,015

0,01

0,005

10

Время, ч

15

20

Рис. 4 \ Кривая биодеградации наночастиц аэросила in vitro

с содержанием железа в коллоидном растворе в составе наночастиц (менее 0,01 %).

Ранее, при исследовании биодеградации in vitro наночастиц аэросила, было установлено [17], что скорость их биодеградации существенно выше и может быть экстраполирована по графику (рис. 4) на значение в 41 день до степени 95 %. Эти данные хорошо согласуются с данными работы [19] показывающими биодеградацию пористого кремнезема в состоянии золь-гель. Биодеградация наночастиц магнетита in vitro, напротив, идет слишком медленно, что не позволяет прогнозировать скорость метаболизации этих объектов. Для ответа на этот вопрос требуется проведение экспериментов в условиях целостного организма.

Выводы

Исследована биодеградация in vitro наночастиц магнетита. Показано, что под действием ионного состава солей буфера Кребса-Хенселейта проистекает медленная градация наночастиц магнетита и железо переходит в ионный состав. Полученные данные не позволяют ответить на вопрос о полной метаболизации таких наночастиц.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-15-00473).

Литература

1. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles/ A. Ito, M. Shincai, H. Honda, T. Kobayashi // Jurn. Of Bioscience and Bioengineering. 2005. Vol. 100. P. 1-11.

2. Biofunctional magnetic nanoparticles for protein separation and pathogen detection / H. Gu, K. Xu, C. Xu [et al.] // Jurn. Of the American Chemical Society Chem. Commun, 2006. P. 941-949.

3. Lu A.-H., Salabas E. L., Schuth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. Vol. 46. P. 1222-1244.

4. Weissleder R., Pittet M. J. Imaging in the era of molecular oncology// Nature. 2008. Vol. 452. N 7187. P. 580-589.

5. Renal inflammation: targeted iron oxide nanoparticles for molecular MR imaging in mice / N. J. Serkova, B. Renner, B.

A. Larsen [et al.] // Radiology. 2010. N 255(2). P. 517-533.

6. Inflammatory bowel disease: MR- and SPECT/CT-based macrophage imaging for monitoring and evaluating disease activity in experimental mouse model-pilot study / Y. Wu, K. Briley-Saebo, J. Xie [et al.] // Radiology. 2014. N 271(2). P. 400-407.

7. Adipose tissue macrophages: MR tracking to monitor obesity-associated inflammation / A. Luciani, S. Dechoux, V. De-veaux [et al.] // Radiology. 2012. N 263(3). P. 786-879.

8. MRI of macrophages in infectious knee synovitis / G. Bierry, F. Jehl, A. Neuville [et al.] // AJR Am. Jurn. Roentgenol.

2011. N 194(6). P. 521-527.

9. Targeted temperature sensitive magnetic liposomes for ther-mochemotherapy // P. Pradhan, J. Giri, F. Rieken [et al.] // Jurn. Control Release. 2010. N 142(1). P. 108-129.

10. Diacyllipid micelle-based nanocarrier for magnetically guided delivery of drugs in photodynamic therapy / L. O. Cinteza, T. Y. Ohulchanskyy, Y. Sahoo [et al.] // Mol Pharm. 2006. N 3(4). P. 415-438.

11. Simultaneously fluorescence detecting thrombin and ly-sozyme based on magnetic nanoparticle condensation / L. Wang, L. Li, Y. Xu [et al.] // Talanta. 2009. N 79(3). P. 557-618.

12. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration/ Zhang Y., Li W., Ou L. [et al.] // PLoS One,

2012, Vol. 7(7). P. 1-14.

13. Pharmacokinetic parameters and tissue distribution of magnetic Fe3O4 nanoparticles in mice / J. Wang, Y. Chen,

B. Chen [et al.] // International Journ. of Nanomedicine. 2010. N 5. P. 861-866.

14. Synthesis and characterization of multi-functional hybrid magnetite nanoparticles with biodegradability, superpara-magnetism, and fluorescence / L. Zhou, J. Yuan, W. Yuan [et al.] // Materials Letters. 2009. Vol. 63. P. 1567-1570.

15. In Vivo Toxicity of Intravenously Administered Silica and Silicon Nanoparticles / S. Ivanov, S. Zhuravsky, G. Yukina [et al.] // Materials. 2012. N 5. P. 1873-1889.

16. Обоснование использования магнитных наночастиц для направленной доставки лекарственных препаратов в ишеми-зированную скелетную мышцу / Д. В. Королев, М. М. Га-лагудза, М. В. Афонин [и др.] // Биотехносфера. 2012. № 1(19). С. 2-6.

17. Биодеградация и биосовместимость нанодисперсного кремнезема как носителя для направленной доставки лекарственных препаратов / Е. Б. Наумышева, Е. В. Уменуш-кина, Н. В. Евреинова [и др.] // Нанотехнологии и охрана здоровья. 2011.№ 2. C. 30-36.

18. Методика перфузии изолированного сердца крысы /

C. М. Минасян, М. М. Галагудза, Д. Л. Сонин [и др.] // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2009. Т. 8. № 4(32). С. 54-59.

19. Biodegradability of sol-gel silica microparticles for drug delivery / K. S. Finnie, D. J. Waller, F. L. Perret [et al.] // Journal of Sol-Gel Scientific Technology. 2009. Vol. 49. Р. 12-18.

0

5

0

№ 3Ç39)/2015 I

биотехносфера