Наночастицы золота – от церковных витражей к наномедицине

ионов калия (обнаружение по индикатору фенолфталеин) и цезия (обнаружение по счёту активности) произошли практически одновременно.

Вероятно, лимитирующая стадия сорбции лежит в диффузионной области, поэтому при интенсивном перемешивании (статическая сорбция) селективность наблюдалась, а в колоночном эксперименте - нет. На рис.1 показана кривая выхода ионов цезия.

x,% 0,8

0,6

0,4

0,2

0

0 10 20 30 40 у, мл

Рис.1. Кривая выхода ионов цезия

Рассчитанная по проскоку щелочи динамическая обменная ёмкость (ДОЕ) катионита равна 1,4 г—т.е. составляет около 80% от полной обменной емкости.

Настоящая работа позволяет сделать несколько выводов. Емкость катионита (NRW 100 в Н+-форме) в условиях обратимой сорбции (ионный обмен с солями) равна 1,30 ± 0,02 г—Емкость катионита в условиях необратимого ионного обмена с щелочами равна 1,80 г—что соответствует ПОЕ NRW 100 по паспортным данным. Динамическая обменная ёмкость NRW 100 1,4 rzp и составляет 80 % от ПОЕ. Коэффициент избирательности NRW 100 по отношению к ионам цезия и калия равен 1,7±0,3, что объясняется похожими свойствами этих ионов. Коэффициент избирательности NRW 100 по отношению к паре ионов цезий-литий равен 40±4. Коэффициент распределения ионов цезия в микроконцентрициях между фазами катионит-водный раствор равен 300±30. Селективность, реализуемая в статических условиях, не наблюдается в динамических вследствие более медленной диффузии тяжелых катионов.

УДК 616-006.615.546.55/59 Н.В. Марченко, Н.С. Марченков

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА - ОТ ЦЕРКОВНЫХ ВИТРАЖЕЙ К НАНОМЕДИЦИНЕ

л 1

J

J

-< —с» J

Краткий обзор свойств наночастиц золота, отличающих их от «массивных» металлов. Приведены области применения данных наноструктур для диагностики и терапии раковых заболеваний.

A brief review of nano-sized gold properties distinguishing it from the bulk metal and the scope of using these nanostructures for diagnostics and therapy of cancer are given.

Наночастицы все шире используются в самых различных областях, например, в химии для получения катализаторов, в электронике для создания новых материалов, в биологии для разработки сенсоров. Одно из наиболее значимых применений наночастиц - использование в медицине [1]. Для терапии и диагностики используются наночастицы многих материалов. Например, наночастицы меди повышают выживаемость при инфаркте миокарда, наночастицы железа применяются при лечении лейкоза, наночастицы цинка оказывают антиатеросклеротическое действие.

Однако последние годы под пристальным вниманием находятся золотые наноструктуры из-за их потенциальной способности использоваться как для диагностики, так и для терапии, благодаря выгодным физическим и химическим свойствам.

Наночастицы золота могут функционировать в качестве контрастных средств для ряда оптических методов визуализации, могут служить преобразователем для фототермического разрушения опухолевых клеток [2]. Одно из наиболее значимых применений золотых наночастиц -использование в медицине в качестве основы для системы адресной доставки и контролируемого высвобождения противораковых лекарственных средств [1].

Такую двойственную роль золотых наночастиц учёные назвали тераностика. Это развивающаяся область медицины, главным образом онкологии, сочетающая в себе терапию и диагностику, т.е. использование одной технологии и для диагностики, и для лечения заболевания в ходе общей процедуры.

Наночастицы золота, в отличие от массивного золота, обладают каталитическими, ферромагнитными, настраиваемыми оптическими свойствами, способностью к самосборке. Они нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы с живой тканью, отлично нагреваются инфракрасным светом в результате поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Также важным свойствами для биомедицины являются компактный размер, надежность и простота процедуры по модификации их поверхности, основанной на химии тиолята. К поверхности наночастиц легко присоединяются олигонуклеотиды, пептиды и полиэтиленгликоль.

Неинертная и относительно биоинертная природа золота делает этот металл наиболее выдающимся кандидатом для применения как in vitro, так и in vivo. Полая структура может быть использована для инкапсуляции; пористые стенки, могут быть использованы для доставки лекарств; размеры наночастиц могут легко меняться от 20 до 500 нм для оптимизации биораспределения, для облегчения проникновения частиц через эпителии тканей или для увеличения загрузки препарата.

Наиболее важными свойствами наночастиц золота, которые делают

их применимыми для диагностики и терапии, являются большое сечение поглощения и рассеивание света [2].

Положение и интенсивность спектра поглощения зависит от размера и формы наночастиц. Золотые наночастицы сферической формы с диаметром 10-25 нм имеют пик поглощения вблизи 520 нм (рис.1) [3].

71 1 1 I 1—I 1 [ 1 I  I—1—I——I——I————I——э—I

---- 10 пт глс1ш.ч

пит 1ж1ш>.

50 шп (асНиь

j- 4

Q] С

1 3 к

.-.I.I, ,V Ч—>4-.....—J......j—.L-J_-I_......J___i_I

300 400 500 600 700 SOO 900 1000 1 LOO L200 1300 1400 L5Q0 Wavelength

Рис.1 Спектры поглощения золотых сферических наночастиц.

Положение ППР в спектре изотропных сферических наночастиц золота относительно в малой степени зависит от размера частиц в отличие от частиц анизотропной формы. Например, золотые наностержни (gold nanorod) имеют анизотропную симметрию и поэтому в спектре поглощения наблюдаются два пика, соответствующие поперечному и продольному плазмонам (рис.2). Поперечный плазмон дает абсорбционный пик при 520 нм, а продольный может проявляться в интервале от 600-1000 нм, т.е. в ближней инфракрасной области. Его положение определяется размерными факторами наностержня, а именно отношением длины к ширине (рис.2) [3].

Для применения in vivo, наноструктуры золота должны давать пики ППР в ближней инфракрасной области при длинах волн в пределах от 700 до 900 нм [2].

Таким образом, для диагностики наиболее применимы золотые наностержни, которые активно поглощают излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, для которого человеческое тело относительно прозрачно.

0.0 -I-,-1-1-1-

400 500 600 700 800 ЭОО

W avien ght

wavelenghit vs aspect ralio 2.4 wavelenghit vs aspect ratio: 3 wavelenghit vs aspect ratio: 3.4 wavelenghit vs aspect ratio 3.8 wavelenght vs aspect ratio: 4

Рис.2 Спектры поглощения золотых наностержней в зависимости от их размерных факторов (отношения длины к ширине).

Для таргетной терапии рака, по мнению ученых из Северо-западного Университета, США [4], наиболее подходящими являются золотые нанозвезды с 5-10 остроконечными лучами. Размер - около 25 нанометров. Обширная площадь поверхности позволяет загрузить наночастицу большим количеством молекул препарата, а форма нанозвезд помогает концентрировать свет (сверхбыстрые импульсы света) на остриях лучей, облегчая высвобождение лекарства в этих областях. Нанозвезды притягиваются к белку на поверхности раковой клетки, который доставляет их к ее ядру. Затем, на пороге ядра, нанозвезды высвобождают лекарственный препарат, который попадает в ядро, чтобы выполнить свою работу. То, что для доставки препарата золотым нанозвездам не нужно проходить через ядерную мембрану, снимает необходимость получения наночастиц точно определенного размера [4].

Принцип диагностики и терапии основан на связывании наночастиц золота со специфическими антителами на поверхности раковых клеток.

У многих раковых клеток на всей их поверхности есть белок, известный как рецептор эпидермального фактора роста (ББОЯ), тогда как здоровые клетки обычно не экспрессируют этот белок настолько сильно. Конъюгация наночастиц золота с антителами позволила обеспечить связывание наночастиц с самими раковыми клетками. Было обнаружено, что наночастицы золота имеют на 600% большее сродство с раковыми, чем со здоровыми клетками [5]. После связывания наночастиц с раковыми клетками на исследуемый орган направляют ИК-лазер малой мощности. Свет лазера поглощается наночастицами золота, при этом они излучают ультразвуковые и тепловые волны, регистрируемые специальным сенсором.

Золотые наностержни можно использовать также для фотоакустического наблюдения за воспаленными клетками. Фотоакустическая технология отображения основана на преобразовании света в акустические сигналы. При освещении живая ткань быстро нагревается и, как следствие, расширяется, что приводит к образованию акустической волны, которую можно наблюдать с помощью сверхчувствительного ультразвукового приемника. По высококонтрастным изображениям образцов можно установить на ранних стадиях ишемию мозга и другие заболевания сердечно - сосудистой системы.

Как отмечалось выше, золотые наностержни активно поглощают излучение в ближнем ИК-диапазоне. Это делает их применимыми для фототермальной терапии - избирательного разрушения патогенных агентов нагреванием. Раковые клетки более чувствительны к нагреванию, чем здоровые, и начинают гибнуть при температуре (43-45)°С и меньшей продолжительности нагрева [6]. Например, прикрепленную антителами к раковой клетке наночастицу можно нагреть до температуры выше 1000С, уничтожив саму клетку. Подход уже оправдал себя в борьбе с токсоплазмой [7]. Нагрев может заставить и открыться золотую капсулу с противораковым препаратом, который будет доставлен точно к месту назначения [7].

Селективность действия наночастиц на опухолевые ткани связана с особенностью строения и роста клеток опухоли - клетки, формирующие

злокачественные образования, растут столь быстро, что между ними и в их оболочке формируются значительные пустоты, облегчающие проникновение наночастицам золота непосредственно в клетку. Кислотная среда внутри опухолевой клетки способствует высвобождению препаратов непосредственно в подлежащей уничтожению клетке [8].

Адресная доставка терапевтических средств к злокачественным тканям имеет первостепенное значение в лечении рака, потому что это перспективный путь к минимизации повреждений здоровой ткани и, следовательно, побочных эффектов от применяемых методов терапии

Исследователи из Университета Сиднея связали цисплатин с наночастицами золота с помощью полиэтиленгликолевых линкеров (рис.3) таким образом, что, например, каждая из частиц диаметром 25 нм могла нести около 800 молекул препарата [8].

Цисплатин считается лидирующим по эффективности металлолекарственным препаратом, созданным для лечения плотных новообразований. Однако его использование всегда было довольно ограниченным из-за тяжёлого токсикологического побочного воздействия, которое связано с неизбирательным накоплением лекарства, как в раковых, так и в здоровых тканях организма.

Теперь же с помощью наночастиц золота, способных селективно связываться с платиновыми препаратами и доставлять их прямо в злокачественную опухоль, можно не только расширить область использования цисплатина, но и увеличить его дозировку.

Если раковые клетки находятся в местах, недоступных для воздействия света, то в таком случае необходимо направить наночастицу золота в ядро клетки. Золото работает, сталкиваясь с ДНК клеток. При этом раковая клетка начинает делиться, и затем разрушается.

Рис.3 Золотые иаиоклетки с полимером на поверхности (изображение получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа).

Биосовместимые золотые наночастицы — идеальное средство доставки тепла в опухоли, поскольку они нетоксичны, стабильны и могут быть покрыты (модифицированы) самыми разными молекулами, способными селективно взаимодействовать с раковыми клетками.

В настоящие время в НИЦ «Курчатовский институт» начаты исследования по разработке молекулярных структур, содержащих золотые наночастицы для фототермической терапии заболеваний.

Библиографические ссылки:

1. Нанозолото из чая от 07.08.2009, www.nkj.ru

2. Gold nanocages: From synthesis to theranostic applications, - Department of Biomedical Engineering, Washington University, Saint Louis, Missouri 63130, United States, from 1.03.2011

3. Под общей редакцией А.С.Сигова. Получение и исследования наноструктур: Лабораторный практикум по нанотехнологиям // М., 2008. 116 стр.

4. Крошечные «автосгопщики» атакуют ядро раковой клетки от 08.04.2012 http://www.northwestern.edu/.. .-cancer.htm

5. Georgia Institute of Technology: Gold Nanoparticles May Simplify Cancer Detection

6. Федеральный Интернет-портал «Нанотехнологии и наноматериалы». Нанозолото для диагностики и терапии рака от 03.07.2012. www.portalnano.ru

7. Физиологическое воздействие наночастиц золота на организм человека от 17.06.2008, www.nanonewsnet.ru

8. Наночастицы золота нужного размера против рака от 21.03.2012 www.chemport.ru

УДК 539.199+ 541.15+541.183 +543. 544

М.А. Кузнецов1, А.А. Михайлов1, А.А.Ревина1'2, A.M. Чекмарев1

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 2Институт физической химии и электрохимии РАН им. А.Н. Фрумкина, Москва, Россия

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ РЕНИЯ В ОБРАТНО-МИЦЕЛЛЯРНЫХ РАСТВОРАХ

Стабильные наночастицы рения синтезированы при использовании радиационно-химического восстановления ионов металлов в обратно мицеллярных растворах. Проведены спектрофотометрические исследования физико-химических свойств наночастиц рения, НЧ Re. Методами атомно-силовой (АСМ) микроскопии определены размеры НЧ, зарегистрированы распределения НЧ по размерам в зависимости от контролируемых условий эксперимента.

Stable rhenium nanoparticles synthesized by using the radiation-chemical reduction of metal ions in reverce micellar solutions. Performed spectrophotometry studies of physico-chemical properties of rhenium nanoparticles. Atomic force microscopy (AFM) determined the size of nanoparticles, recorded the distribution of nanoparticles in size depending on the controlled experimental conditions.

Синтезированы стабильные наночастицы рения (НЧ Re) в обратномицеллярных растворах при использовании радиационно-химического восстановления ионов металлов в анаэробных условиях.

Проведены спектрофотометрические исследования физико-химических свойств наночастиц рения. Зарегистрированы спектры оптического