ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 9, с. 899-915
= ОБЗОРЫ =
УДК 543.544
РОЛЬ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ В РАЗРАБОТКЕ И ВНЕДРЕНИИ В МЕДИЦИНУ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ НАНОЧАСТИЦ
© 2015 г. А. Р. Тимербаев
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 19 E-mail: andrei.timerbaev@univie.ac.at Поступила в редакцию 02.07.2014 г., после доработки 25.11.2014 г.
Рассмотрено новое приложение масс-спектрометрических методов — идентификация, определение характерных свойств и анализ наноматериалов, разрабатываемых или применяемых в медицине с целью диагностики, лечения и (или) целевой доставки лекарственных средств. Основным достоинством масс-спектрометрии (МС) в этой экспоненциально развивающейся области является возможность получения специфичной элементной и молекулярной информации о составе, строении, химическом состоянии и содержании наночастиц на основе металлов и их соединений. При сочетании с различными методами разделения с помощью МС можно также следить за образованием и идентифицировать конъюгаты частиц с биомолекулами как целевыми, так и выполняющими транспортные функции. Особое внимание уделено МС с индуктивно связанной плазмой и ее вариантам, пригодным для вещественного анализа металлочастиц, включая частицы многоцелевого (или тераностического*) действия.
Ключевые слова: нанотехнология, медицина, диагностика, терапевтические средства, ориентированная доставка, наночастицы золота, квантовые точки, магнитные наночастицы, масс-спектро-метрия, методы разделения.
DOI: 10.7868/S0044450215090169
В истории технологии были случаи ускоренного внедрения новых материалов — например, пластмасс или полупроводников. Тем не менее, темпы, с которыми разрабатываются и находят разностороннее применение наноматериалы, поразительны. Прогресс в области нанотехнологии не обошел и медицину. Во многом это связано с тем, что нанометровые размеры характерны для основных биологических структур — клеток и их составных частей, биологических макромолекул и др. Среди современных медицинских приложений нанотехнологии в рамках настоящей статьи нас будет интересовать применение синтетических (не природных) наночастиц, главным образом, на основе металлов и их соединений. Отметим, что под термином "наночастица" здесь и ниже автор понимает не только собственно наночастицы, но и другие наноразмерные объекты, включая, например, нанокристаллы, липосомы или полимерные ми-
* Тераностика (Шегапс^^) [от греч. Шега(ре1а) — забота, уход, лечение и (diag)nostikos - способный распознавать] — новый фармацевтических подход, заключающийся в комплексном решении проблем диагностики и лечения заболевания, одновременно решаемых с помощью специально разработанного медицинского препарата или метода.
целлы. В последнем случае, однако, речь будет идти только о таких структурах, которые содержат соединения металлов.
Спектр возможных применений металлсодержащих наночастиц в медицине достаточно широк [1—3]. Он включает, прежде всего, диагностику, где их уникальные оптические и магнитные свойства способствуют получению контрастных изображений органов, тканей или опухолей и визуализации процессов в организме, причем на клеточном уровне. Отметим, что наночастицы могут быть сконструированы таким образом, чтобы они связывались с заранее выбранными биологическими мишенями. Безусловно, перспективным является и использование наночастиц в качестве терапевтического средства (в основном, в борьбе с онкологическими заболеваниями). Здесь возможны два подхода. Во-первых, применение наночастиц, способных накапливаться в опухоли и разогреваться при поглощении длинноволнового ИК-излучения или под воздействием переменного магнитного поля, что ведет за собой гибель опухолевых клеток. Это — так называемая "термотерапия". Во-вторых, благодаря высокой удельной площади поверхности, типичной для всех наночастиц, они могут накапливать
заметные количества химиотерапевтического средства, доставляя его в нужное место организма. Точно также может доставляться в исследуемый орган или опухоль контрастное вещество. Подчеркнем, что в отличие от обычного способа введения лекарств или диагностических средств такая доставка осуществляется направленно. Ситуация может быть и иной: сама наноструктура не является металлсодержащей по природе (например, липосома или нанокапсула), а таковой ее делает включаемый в нее комплекс металла химиотерапевтического или диагностического действия. Такая ориентированная система доставки защищает данный препарат от воздействия внутренней среды организма, и до попадания в клетку он не встречает противодействия иммунной системы.
Еще одним уникальным свойством частиц, предназначенных для наномедицины, является многофункциональность [4, 5]. По принципу швейцарского армейского ножа, различные функциональные составляющие поверхности (или "лезвия") одной и той же наночастицы подготовлены так, что одни обеспечивают попадание в "цель", другие несут терапевтическое средство и контрастное вещество (если визуализация невозможна за счет материала самой частицы). Последнее служит, скорее, не для диагностики, а для слежения за откликом пораженной ткани или органа на химиоте-рапевтическое воздействие, т.е. за эффективностью проводимого лечения. Такие многофункциональные частицы часто называют тераностическими, руководствуясь первым и самым простым определением Варнера [6] (см. также сноску выше): "тера-ностика объединяет (в рамках одной процедуры — авт.) диагностику и терапию".
Анализ наночастиц в широком смысле включает определение их элементного состава, содержания отдельных компонентов и концентрации частиц данного сорта, а также характерных параметров и свойств, включая заряд, размер, форму, магнитный момент, тип и число функциональных поверхностных групп (" \igands" в англоязычной литературе) и др. В случае полидисперсных систем необходимо разделение на фракции, чтобы определить распределение частиц по размерам и охарактеризовать индивидуальные частицы. Кроме того, важно знать состояние наночастиц в биологических системах, где они подвержены многочисленным и весьма динамичным взаимодействиям с различными молекулами, например белками крови. Эта задача смыкается с изучением таких важных фармакологических характеристик частиц, как биосовместимость, токсичность, включение в клетки или накопление в организме. Очевидно, что как и для многих других объектов, с которыми приходится иметь дело современной аналитической химии, такой комплекс аналитических задач не может быть решен с использованием какого-либо одного метода.
В настоящее время химики-аналитики располагают широким арсеналом методов и подходов для анализа наночастиц. В частности, для определения размеров, исследования формы и структурного анализа используют электронную просвечивающую или сканирующую микроскопию, динамическое светорассеяние, атомно-силовую микроскопию [7]. Эти же характеристики частиц можно получить при помощи методов разделения: капиллярного электрофореза (КЭ), гидродинамической хроматографии, фракционирования в поперечном поле, а также спектрометрии ионной подвижности. В свою очередь, элементный состав определяют рентгеновской фотоэлектронной или энергодисперсионной спектроскопией [8], а для частиц со структурой ядро—оболочка об их состоянии (например, степени модификации поверхности) судят по данным электронной или фотолюминесцентной спектроскопии [9]. Методы КЭ нашли также применение для изучения взаимодействия металлсодержащих наночастиц с белками [10]. (Отметим, что методы визуализации наночастиц в организме, например, компьютерная, магнитная, фотоакустическая или оптическая когерентная томография, здесь не рассматриваются.)
В последние годы появились работы по использованию в данной области методов МС, как для прямого определения наночастиц, так и в сочетании с различными методами разделения [11—15]. При этом с учетом природы металлсодержащих частиц данные по их элементному составу и содержанию получают, применяя МС с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП). Следует отметить, что, судя по числу публикаций, особый интерес представляет сейчас МС-ИСП в варианте анализа единичных частиц [16]. В то же время молекулярная МС с ионизацией аналита, главным образом, при электрораспылении или матрично-активированной лазерной десорбции, предназначена для получения информации об органических молекулах, покрывающих (стабилизирующих) наночастицы, или для измерения их молекулярной массы.
Современному состоянию и перспективам развития МС как метода изучения свойств и анализа наноматериалов на основе металлов и их соединений и посвящена настоящая работа. В задачу автора входило не только ознакомить читателя с одной из наиболее интересных областей аналитической химии, но и показать, как с использованием ее инструментария можно ускорить и сделать более экономичным внедрение новых средств диагностики и лечения различных заболеваний. С учетом большого количества уже опубликованной обзорной литературы, включая отмеченную выше, анализировали только оригинальные работы последних лет.
Таблица 1. Металлсодержащие нанообъекты с испытанным или предполагаемым применением в медицине
Тип Состав Типичный размер, нм Область применения
Наночастицы Аи сазе, рья, саяе-гия FeO2 Рг Gd2Oз А§ Т1О2 5-100 3-10 <10 20-100 <5 5-100 <10 Визуализация, термотерапия, доставка Визуализация Визуализация, термотерапия, доставка Химиотерапия Визуализация и химиотерапия Антибактериальное средство Препараты для дезинфекции
Наностержни Аи 15 х 60 Доставка, визуализация и термотерапия
Мицеллы Полимеры, ПАВ 10-100 Доставка
Липосомы Фосфолипиды и др. 10-100 Доставка, снижение токсичности лекарственных веществ, химиотерапия
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ НАНОЧАСТИЦ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Выше дана общая характеристика частиц такого назначения. В этом и следующем разделах рассматриваются конкретные классы наноразмерных объектов и области их применения в тераностике, для удобства обобщенные в табл. 1. Отметим, что в эту таблицу включены только металлсодержащие наноструктуры, которы
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.