научная статья по теме ДИСТАНЦИОННАЯ ДЕКАПСУЛЯЦИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЛИПОСОМ, СОДЕРЖАЩИХ ВНЕДРЕННЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ НАНОЧАСТИЦЫ, ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ДИСТАНЦИОННАЯ ДЕКАПСУЛЯЦИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЛИПОСОМ, СОДЕРЖАЩИХ ВНЕДРЕННЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ НАНОЧАСТИЦЫ, ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 10, с. 1051-1063

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ^^^^ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

УДК 53.097

ДИСТАНЦИОННАЯ ДЕКАПСУЛЯЦИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЛИПОСОМ, СОДЕРЖАЩИХ ВНЕДРЕННЫЕ ПРОВОДЯЩИЕ НАНОЧАСТИЦЫ, ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

© 2015 г. Ю. В. Гуляев1, В. А. Черепенин1, В. А. Вдовин1, И. В. Таранов1, А. А. Ярославов2, В. П. Ким3, Г. Б. Хомутов1, 3

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Российская Федерация, 119992, Москва, Ленинские горы 1, стр. 3 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Российская Федерация, 119992, Москва, Ленинские горы 1, стр. 2 E-mail: ivt@cplire.ru Поступила в редакцию 13.05.2015 г.

Представлены результаты по созданию новых чувствительных к внешнему нетепловому электрическому воздействию нанокомпозитных гибридных систем для инкапсулирования, адресной доставки и контролируемой декапсуляции доставляемых веществ в водных средах. Основой таких систем являются липосомы, содержащие электронейтральные биогенные липиды, функционализованные проводящими наночастицами и полимерами. Полученные системы исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, электронного магнитного резонанса, лазерного светорассеяния, электрофореза и кондуктометрии. Найден эффект дистанционной декапсуляции построенных систем путем воздействия коротких (порядка 8 нс) электрических импульсов высокой напряженности (порядка 100 кВ/м). Предложена модель, описывающая механизм взаимодействия наноструктурированных липосом, содержащих на поверхности проводящие наночастицы, с внешним электрическим полем, которое приводит к существенному изменению структуры липосомы. В рамках построенной модели получены оценки критических значений внешнего электрического поля, приводящего к декапсуляции нанокомпозитных липосом.

Б01: 10.7868/80033849415100034

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важной задачей, обусловливающей дальнейший прогресс в медицине, фармакологии, косметологии, сельском хозяйстве, биотехнологиях и в ряде других областей, является проблема создания эффективных систем для инкапсулирования и адресной доставки лекарств и других биологически активных веществ в заданное место организма, обеспечивающих управляемое постепенное или единовременное высвобождение доставляемых соединений в заданном месте и в определенное время. Разработка таких систем требует решения сложного комплекса взаимосвязанных биологических, химических, физических и нанотехнологических задач и привлекает все больший интерес исследователей в ведущих странах мира. Основные вопросы, которые необходимо решить в рамках этой задачи: как инкапсулировать и "адресно" доставить лекарственный препарат в определен-

ное место (или места) организма на носителе и как обеспечить его контролируемую декапсуля-цию. При этом также необходимо учитывать потенциальную токсичность используемых веществ и материалов с целью максимального уменьшения возможных побочных негативных воздействий на организм. В настоящее время разрабатываются и тестируются наноконтейне-ры на основе полимеров, в том числе дендриме-ров, мицелл, липосом, фуллеренов, гидрогелей, а также исследуются возможности их активации и управляемого высвобождения (декапсуляции) инкапсулированных веществ [1—6].

В последнее время благодаря методу послойной полиионной сборки появился новый класс интересных микрообъектов: полиэлектролитные и нанокомпозитные полые микрокапсулы [7—9]. Микрокапсулы имеют ряд уникальных свойств (например, стенки микрокапсул могут изменять свою проницаемость при изменении химических

параметров локального окружения или под действием внешних физических воздействий), благодаря которым они могут широко использоваться в медицине, биологии, химии и технологии. Установлена возможность управления проницаемостью оболочки микрокапсул посредством изменения величины рН раствора [10], действия лазерного излучения [11, 12], переменного магнитного поля [13] и СВЧ-воздействия [14, 15]. Дистанционно управляемая целенаправленная адресная доставка лекарственных веществ при помощи на-нокомпозитных полимерных микрокапсул, чувствительных к импульсному электромагнитному воздействию, позволит существенно повысить эффективность действия лекарственных препаратов и уменьшить при этом их общую концентрацию в организме, что особенно важно для специфических лекарств с выраженной токсичностью (например, медикаментов, применяемых в области лечения онкологических заболеваний).

Полиэлектролитные микрокапсулы имеют, однако, и определенные недостатки, связанные с многостадийной и довольно трудоемкой процедурой их получения, затрудняющей создание технологий их массового производства. Существенные трудности связаны также с капсулированием многих веществ, поскольку полиэлектролитная оболочка этих капсул имеет высокую проницаемость для низкомолекулярных соединений. Вышеуказанных недостатков нет у липидных биомиметических везикул — липосом, широко используемых в модельных биофизических исследованиях и весьма перспективных для биомедицинских применений [16, 17]. Важной отличительной особенностью использования липосом в качестве основы для создания систем капсулирования и адресной доставки лекарств и других соединений является их биосовместимость. Круг веществ, которые могут быть заключены в липосомы, чрезвычайно широк — от неорганических ионов и низкомолекулярных органических соединений до крупных белков и нуклеиновых кислот. Водорастворимые (гидрофильные) лекарственные вещества могут быть заключены во внутреннее водное пространство липосом, а жирорастворимые (гидрофобные) — в бислойную липидную мембрану. Однако традиционно получаемые фосфолипидные липо-сомы, как правило, характеризуются низкой стабильностью и относительно коротким временем жизни, что ограничивает возможность их практического применения и требует разработки новых эффективных функциональных липосомальных систем [18].

Новые подходы в создании липосомальных препаратов предполагают конструирование липосом, способных к управляемому выходу инкапсулированных веществ: такие липосомы могут подвергаться структурным изменениям в ответ на физико-химические стимулы. Примерами таких

липосом являются термочувствительные липосомы, из которых при гипертермии происходит выход инкапсулированного лекарства, и рН чувствительные липосомы, раскрытие которых происходит в кислой среде [19, 20].

Перспективным подходом к решению задачи управления пространственной локализацией микроконтейнеров с лекарственными соединениями и их адресной доставки в организме является включение в состав магнитных наночастиц, что открывает возможности дистанционного управления ими при помощи внешнего магнитного поля. Идея целевой доставки терапевтических средств (таких как олигонуклеотиды, белки, лекарственные препараты) при использовании магнитного поля была предложена Виддером в 1978 г. [21]. В настоящее время наиболее широко применяются в биомедицине наночастицы магнитных оксидов железа (в основном магнетита Fe3O4), что обусловлено их низкой токсичностью, довольно высокой намагниченностью насыщения и стабильностью магнитных характеристик [22—29]. Биомедицинские применения магнитных наночастиц в основном связаны с диагностикой (биосенсоры, контрастные средства для магниторезонансной томографии, маркеры биомолекул, биосепарация и пробоподго-товка, исследования молекулярного взаимодействия) и с адресным терапевтическим воздействием (целевая доставка терапевтических молекул, в том числе ДНК, управляемая локальная гипертермия опухолей и др.) [23, 30, 31]. При функци-анализации липосом наночастицами оксида железа появляется возможность декапсуляции внутреннего содержимого липосом при помощи переменного магнитного поля [32].

В данной работе представлены новые перспективные системы для инкапсулирования, адресной доставки и управляемой декапсуляции различных веществ в водных средах, чувствительных к внешнему нетепловому электромагнитному воздействию. Основу таких систем составляют на-нокомпозитные коллоидные везикулы и капсулы, представляющие собой гибридные конструкции, содержащие липиды, поверхностно-активные соединения, полимеры (в том числе биополимеры), неорганические наночастицы и другие функциональные компоненты. Представлены также результаты по созданию нанокомпозитных микрокапсул, чувствительных к внешнему нетепловому электрическому воздействию, построенных на основе биогенных липидов, новых синтетических функциональных катионных амфифильных молекул, полимеров и наночастиц магнетита.

Предложен механизм, описывающий взаимодействие наноструктурированных липосом, содержащих на поверхности проводящие наноча-стицы, с внешним нетепловым электрическим полем, который приводит к существенному изме-

Рис. 1. Схема строения обычной бислойной фосфолипидной липосомы (слева) и синтезированных в данной работе нанокомпозитных липосомальных микрокапсул (справа) на основе биогенных фосфолипидов, новых синтетических функциональных катионных амфифильных молекул СС, полиэлектролитов и магнитных наночастиц магнетита: 1 — фосфатидилхолин, 2 — стеарилспермин, 3 — наночастица FeзO4, 4 — полиэлектролит (ПСС, ДНК).

нению структуры липосомы. Получены оценки критических значений внешнего электрического поля, приводящего к декапсуляции нанокомпо-зитных липосом.

1. СОЗДАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЛИПОСОМАЛЬНЫХ КАПСУЛ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСОВ ЛИПИДОВ, ПОЛИМЕРОВ И ПРОВОДЯЩИХ НАНОЧАСТИЦ

В данной работе были синтезированы нано-композитные липосомальные системы, схема строения которых представлена на рис. 1.

В работе использовали соли БеС13, БеС12, спермин, стеариновую кислоту, фосфатидилхолин фирм 81§та/АЫг1сИ и Пика. Синтез коллоидных наночастиц магнетита Бе304 проводили при помощи известного метода, описанного Массартом в [33], и использовании в качестве прекурсоров солей двухвалентного и трехвалентного железа. Далее полученные наночастицы магнетита осаждали магнитным полем постоянного магнита и эл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»