научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ ЦИТОТОКСИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ IN VITRO Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ ЦИТОТОКСИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ IN VITRO»

БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 1, с. 134-139

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 576.3

ИЗУЧЕНИЕ ЦИТОТОКСИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ in vitro

© 2014 г. А.Н. Шубенков, С.Б. Коровин*, Е.Р. Андреева, Л.Б. Буравкова, В.И. Пустовой*

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем РАН, 123007, Москва, Xорошевское шоссе, 76а

E-mail: Ъигаукоуа@тЪр.ги *Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 E-mail: рш1оуоу @nsc.gpi. ru Поступила в p едакцию 25.06.13 г. После доработки 03.09.13 г.

И сследовано влияние наночастиц на основе кремния на жизнеспособность и состояние органелл культивируемых лимфоцитов периферической крови человека. Не выявлено изменений в количестве живых клеток по отношению к контролю. Гибель клеток происходила в основном за счет апоптоза и позднего апоптоза, а соотношение путей клеточной гибели в контроле и при инкубации с наночастицами оставалось неизменным. Все исследованные наночастицы на основе кремния (Si, SiB, SiPd) вызывали увеличение количества активных форм кислорода в клетках. Оценка изменений митохондрий и лизосом позволяет предположить, что модификация наночастиц незначительно снижает их биосовместимость.

Ключевые слова: наночастицы кремния, цитотоксичность, мононуклеары периферической крови человека.

Наночастицы на основе кремния привлекают внимание исследователей благодаря высо-кой степени биосовместимости [1], возможности модификации их поверхности различными функциональными гр уппами, большей стабильностью и повышенной интенсивностью свечения по сравнению с органическими полимерными матрицами и органическими флуоресцентными зондами [2]. В случае полых наночастиц их внутреннее содержимое защищено от внешних воздействий, в частности кислорода [3]. Наночастицы кремния могут быть использованы в медицине и биологии для направленного транспорта лекарств [1], в качестве оптических меток при диагностике и возможной терапии онкологических заболеваний. Благодаря низкой цитотоксичности, кр емниевые нано-частицы могут быть идеальными кандидатами для биологического флуоресцентного картиро -вания [4].

Сокращения: МНК - мононуклеары периферической крови, ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия, АФК - активные формы кислорода, СИФ - средняя интенсивность флуоресценции.

Достоинства исследованных в данной работе наночастиц со стоят в том, что наночастицы чистого кристаллического кр емния способны к флуоресценции и, таким образом, могут быть использованы в качестве биологических зондов. Наночастица перспективны для бор-нейтрон-захватной терапии [5,6]. Бор в виде наночастиц позволит реализовать адресную доставку и повысить эффективность воздействия на клетки-мишени. Для палладия особенно важно то, что он используется как катализатор различных химических реакций [7].

Активно разрабатываются методы синтеза кремниевых наночастиц с ковалентно присоединенными различными молекулами на поверхности. П ри этом стоит отметить, что различные типы поверхностной модификации потенциально способны придавать ту или иную степень токсичности данным наноматериалам [4]. В итоге мы имеем дело с практически бесконечным числом разновидностей «интерфейсов» между наночастицами и биологическими объектами, поскольку наночастицы отличаются не только геометрическими параметрами, но и физико-химическими и кристаллическими свойствами [8]. В связи с этим о собое значение приобр етает

исследование механизмов этих взаимодействий, что необходимо для успешного дизайна нано-материалов в будущем.

В настоящее вр емя имеется большое количество работ, посвященных изучению наноча-стиц на основе оксида кремния (silka) [9-11] и пористого кр емния [12]. Однако статьи, посвященные изучению наночастиц чистого кристаллического кремния, описывают их физико-химические свойства, необходимые для биотехнологии, но не затрагивают проблемы биосовместимости с живыми объектами [13,14].

Для тестирования кремниевых наночастиц были выбраны мононуклеары периферической крови (МНК) человека, поскольку на организ-менном уровне независимо от пути поступления в организм, будь это контакт с кожей или инъекция в ткань или кровь, одной из основных клеточных систем, с которыми будут взаимодействовать наночастицы, - это клетки крови. Оценка in vitro влияния наночастиц на эти клетки позволяет охарактеризовать не только клеточные эффекты, но и возможный биомедицинский риск использования наночастиц на уровне организма.

Цель данного исследования состояла в оценке in vitro повреждающих эффектов наночастиц на основе кр емния (Si, SiB, SiPd) на мононук-леары периферической крови человека.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для получения кремниевых наночастиц использовали метод лазерного пиролиза, который отличается от всех других методов получения наночастиц, главным образом, своей чистотой. В реакторе нет никаких посторонних веществ, которые могли бы загрязнять получаемые частицы. К роме того, метод позволяет в широких пределах менять параметры реакции и получать частицы с заранее заданными параметрами, такими как размер, стр уктура, соотношение компонентов, состояние поверхности и др.

Синтез наноразмерного порошка кремния осуществляли в проточном реакторе в струе моносилана (Si^) (Хорст, Россия), окруженной цилиндрическим потоком буферного газа (аргон либо гелий). Реакция пиролиза индуциро -валась непрерывным излучением С02-лазера ИЛГН-802 с длиной волны X = 10,6 мкм, выходной мощностью 70 Вт и диаметром луча 6 мм. Сбор получившегося порошка осуществлялся по окончании реакции в блоке со сменными фильтрующими ячейками в атмосфере аргона [15,16]. Анализ размеров полученных наночастиц и их дисперсии по размерам с помощью просвечивающей электронной микро-

скопии (ПЭМ) показал, что суспензия наночастиц достаточно однородна и их диаметр со -ставляет в ср еднем 7 нм. П р оведенный анализ кристаллической структуры образцов с использованием дифракции электронов на кристаллической решетке позволил установить, что наночастицы имеют кристаллическую структуру кремния.

Для синтеза наночастиц, содержащих бор и кремний, проводили лазерный пиролиз смеси моносилана и трихлорида бора (ВС13) (Хорст, Ро ссия) [17]. С помощью ПЭМ было показано, что наночастицы имели сферическую форму со ср едним эффективным диаметром около 10 нм. И сследование полученных наночастиц методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в трех произвольно выбранных точках обр азца показало наличие в спектре линий, соответствующих энергии связи 28-электронов кр емния (150-154 эВ) и 18-электронов бора (187 эВ).

Для экспериментов были выбраны наноча-стицы Б1В, содержащие около 20% бора, такие наночастицы сохраняли кр исталлическую р е-шетку кремния (кремний, легированный бором).

О саждение металлического палладия на поверхность наночастицы проводили в два этапа. Сначала производили пассивацию поверхности кремниевой наночастицы добавлением в водный коллоид небольшого количества плавиковой кислоты, которая удаляет атмосферный окисел кремния и создает на поверхности монослой водорода. Полученный коллоид промывали водой для удаления продуктов реакции, добавляли раствор хлористого палладия (Хо рст, Россия) и помещали в ультразвуковую ванну. Осаждение металлического палладия на поверхности наночастицы происходило за счет сильного локального поля на связи Б1-Н и интенсивного ультразвукового воздействия. Процентное содержание нанокремния и соли палладия рассчитывали так, чтобы толщина слоя составляла 5 нм. Реально полученная толщина слоя составила 2,5-3,0 нм.

Характеристика использованных наноча-стиц приведена в табл. 1.

Выделение мононуклеаров. Мононуклеары получали из периферической крови здоровых доноров (п = 5) методом центрифугирования в градиенте плотности Р1со11-Ш81юрадие (Б1§ша-АЫпсЬ, США), как было описано ранее [18].

Культивирование. МНК культивировали 24 ч в ср еде ИРМ1 1640 (Биолот, Россия), содержащей 100 Ед/мл пенициллина, 100 мкг/мл стрептомицина (ПанЭко, Россия), 2 мМ глута-мина (ПанЭко, Россия) и 5% ЭТС (НуС1опе, США) в концентрации 1-106 кл/мл в С02-инку-

Таблица 1. Параметры наночастиц

Тип частиц Диаметр, нм ^руктура Pаcтвоpитель Исходная концентрация, мг/мл

Si 7 Кристаллическая р ешетка типа алмаза H2O 10

SiB 10 Кристаллическая р ешетка типа алмаза H2O 10

SiPd 15 Кристаллическая р ешетка типа алмаза H2O 1

баторе (Sanyo, Япония) при 37°C в атмосфере 5% CO2, 95% воздуха и 100% влажности.

Концентрация исходной суспензии наночастиц Si и SiB со ставляла 10 мг/мл, концентрация наночастиц SiPd - 1 мг/мл. Наночастицы добавляли в ср еду культивир ования в концентра -ции 1, 10 и 100 мкг/мл. Клетки, инкубировавшиеся в ср еде, не содержащей наночастиц, были использованы в качестве контроля для определения исходных значений изучаемых показателей.

Оценка жизнеспособности МНК, характеристика трансмембранного потенциала митохондрий, состояния лизосомального компартмента и продукции активных форм кислорода. Цитоток-сичность наночастиц определяли в суспензии с помощью набора ANNEXIN V - FITC Kit (ImmunoteA, Франция) согласно инструкции фирмы-производителя по стандартной методике совместно с окрашиванием йодидом пропидия на пр оточном цитофлуориметр е Ер^ XL (Вес-kman Coulter, США). Определяли долю живых клеток (Annexin V-/PI-), апоптотических клеток (Annexin V+/PI-), некротических клеток (Annexin V-/PI+) и клеток в состоянии постапоптоти-ческого некроза ^п^хш V+/PI+).

Т рансмембранный потенциал митохондрий характеризовали при помощи флуоресцентного зонда Mito Tracker red FM (Авозб = 581 нм, Аисп = 644 нм) (Invitrogen, CША/). Данное вещество пассивно проникает через клеточную мембрану и аккумулируется в активных митохондриях, а интенсивность его флуоресценции отражает состояние трансмембранного потенциала.

Cоcтояние лизосомального компартмента оценивали при помощи рН-чувствительного флуоресцентного зонда Lyso Tracker Green DND 26 (Авозб = 504 нм, Аисп = 511 нм) (Invitrogen, ОТА).

Активные формы кислорода (АФК) в клетках выявлял

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