А орешки не простые…

Позолоченные наношарики – универсальное оружие в борьбе с больными клетками

Василий Янчилин, «Поиск»

Нанотехнологии становятся все сложнее. Скажем, нанокомпозиты для диагностики болезней и лечения покрывают сложной органикой – антителами и молекулами-репортерами. Основой для этого служат «шипастые» нанозвездочки или похожие на орешки нанооболочки. Их синтезом и дальнейшей доработкой занимается старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Виталий Ханадеев из лаборатории нанобиотехнологии Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов). Его важные для науки и медицины исследования поддержаны грантом Президента РФ.

– В нашей лаборатории нанобиотехнологии мы исследуем нанокомпозиты на основе золота, серебра, диоксида кремния, альбумина. Это специальные структуры размером около 100 нанометров, создаваемые с помощью нанотехнологий, которые затем используются для работы с больными тканями. Для их синтеза применяются методы «влажной» химии, то есть образование наночастиц происходит в растворе. Добавляя в него соли металлов, поверхностно-активные вещества, восстановители и управляя параметрами синтеза (температура, pH), мы получаем нанокомпозиты различной формы, размера и структуры. 

Также мы умеем покрывать нанокомпозиты биосовместимыми полимерами (полиэтиленгликоль, поливинилпирролидон). Благодаря такой «маскировке» иммунная система не воспринимает их как чужеродные объекты, и они дольше циркулируют в организме. Кроме того, мы можем покрыть их «узнающими» молекулами, то есть антителами, которые будут выборочно связываться только с определенными «молекулами-мишенями». Пример такой «мишени» – рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), который в большом количестве встречается на поверхности опухолевых клеток. Таким образом, нанокомпозиты, покрытые антителами к EGFR, будут прикрепляться к поверхности клеток опухоли.

Одно из самых важных свойств наночастиц благородных металлов – наличие плазмонного резонанса (ПР), суть которого состоит в следующем. При облучении металлической наночастицы светом и совпадении частоты световой волны с частотой колебаний электронов металла в пределах наночастицы наблюдается резонанс. В итоге она сильно поглощает или рассеивает свет, то есть нагревается или светится.

Эти эффекты широко используются в биомедицине. Например, можно уничтожить опухолевые клетки лазерным нагревом присоединившихся к ним наночастиц (фототермическая терапия). В этом случае интенсивность лазерного облучения не очень высока, и она не приводит к повреждению здоровых клеток. Однако вызывает сильный нагрев металлических наночастиц и гибель опухолевых клеток, к которым они присоединились. 

Также можно «увидеть» опухолевые клетки благодаря рассеянию света от прикрепленных наночастиц. Визуализация клеток обычно используется для диагностики, но ее также можно применять и для лечения (например, при операции по удалению опухоли хирург при освещении лазером сможет заметить «светящиеся» метастазы и вырезать их). 

В последние годы ПР-наноструктуры стали часто использовать для исследования различных веществ с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Эффект КР света состоит в том, что колебания химических связей в исследуемом веществе вносят небольшой вклад в изменение спектра рассеянного света. 

Значительное усиление КР при присоединении молекул исследуемого вещества к металлической поверхности получило название гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). Было обнаружено, что максимальное усиление поля наблюдается при расположении молекул внутри тонких зазоров (толщиной в несколько нанометров) и вблизи острых выступов. Эти области на границе металла получили название «горячие точки». Создать нанокомпозиты, имеющие максимальное количество таких «горячих точек», – как раз одна из задач нашего проекта. 

Одним из перспективных направлений развития приложений ГКР стало использование так называемых ГКР-меток – металлических наночастиц, покрытых молекулами-репортерами КР. Молекулы-репортеры имеют характерные спектры КР, а металлические наночастицы значительно усиливают сигнал от них. Такие метки обладают большим потенциалом для использования в биомедицине и, в частности, в визуализации. 

ГКР-метки на основе многослойных наночастиц имеют заметные преимущества за счет расположения молекул-репортеров в зазорах между металлическими слоями. Поле в этих зазорах гораздо сильнее, чем на поверхности, и поэтому КР-сигнал от расположенных там молекул более интенсивный. Также молекулы-репортеры оказываются защищены от внешнего воздействия и не могут отсоединиться от частиц. Мы планируем создать такие многослойные ГКР-метки на основе золотых нанозвезд.

– Что такое нанозвезды и нанооболочки? 

– Нанозвезды представляют собой шарики, покрытые острыми шипами. «Зародышами» для их синтеза служат золотые наночастицы, на которых за счет быстрого восстановления золота формируются шипы. Меняя размер «зародышей» и их концентрацию, мы можем регулировать размер финальных нанозвезд, длину и количество шипов. Размер нанозвезд может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.

Фото предоставлено В.Ханадеевым

Золотые нанооболочки – это покрытые тонким золотым слоем шарики из диоксида кремния. Кстати, их прообраз упоминается в «Сказке о царе Салтане» Пушкина: «А орешки не простые, все скорлупки золотые». Размер ядра из диоксида кремния обычно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров, толщина золотого покрытия – от десяти до пятидесяти нанометров. 

Интерес к этим видам наночастиц вызван их уникальными оптическими свойствами – интенсивным плазмонным резонансом и возможностью его настройки на заданную длину волны путем изменения параметров частиц (длины лучей и размера ядра у нанозвезд и соотношения размеров ядра и оболочки у нанооболочек), которые мы можем регулировать.

Для комбинационного рассеяния важно, что около острых шипов нанозвезд и звездчатых нанооболочек электрическое поле будет интенсивным и мы сможем измерить усиление сигнала КР от размещенных там молекул. Более того, мы собираемся покрыть нанозвезды несколькими слоями серебряной оболочки. В тонких зазорах между ними будет наблюдаться резкое усиление поля, что приведет к усилению сигнала КР от расположенных там молекул. 

Если оценить ГКР-сигнал для частиц одинакового размера, то золотые нанозвезды имеют наибольший коэффициент усиления сигнала КР по сравнению с нанооболочками и другими частицами. Однако для нанозвезд с размером ядра более 100 нм существенно возрастает их масса, из раствора они быстро оседают на дно. Для устранения этого недостатка перспективным представляется синтез звездчатых нанооболочек, которые имеют золотые лучи на своей поверхности. Преимуществом нанооболочек является то, что они благодаря легкой сердцевине при достаточно большом размере имеют небольшую массу. Сейчас сложно сказать, какие из этих наночастиц окажутся наиболее перспективными. Выяснить это и более подробно изучить их свойства – как раз наша задача. 

– Вы и изучаете нанокомпозиты, и разрабатываете их? 

– Да, не только исследуем, но и участвуем в их разработке. Сейчас это направление стремительно развивается, и мы тоже вносим свой вклад. Кроме того, накопленный опыт и отслеживание новых тенденций позволяют нам существенно оптимизировать известные методы синтеза. 

Исследовательский процесс включает несколько стадий. Сначала – поиск литературных данных по выбранной теме, чтобы не изобретать велосипед и убедиться в актуальности исследования. Затем – планирование эксперимента, синтез, контроль формы и структуры нанокомпозитов. 

Используя электронную микроскопию, мы получаем изображения частиц и можем узнать, какому веществу соответствует каждая точка на изображении. Важен контроль оптических свойств наночастиц – длина волны и интенсивность плазмонного резонанса, а также усиление сигнала КР. Иногда проводим теоретические расчеты, чтобы лучше понять зависимость оптических свойств от формы и размера наночастиц. После прохождения этих стадий мы апробируем нанокомпозиты на животных клетках, включая раковые, чтобы убедиться в отсутствии токсичности и оценить эффективность их использования. Затем переходим к опытам на животных. 

– В какой области биомедицины могут использоваться ваши нанокомпозиты? 

– Синтезированные нанокомпозиты могут найти применение сразу в нескольких областях биомедицины. Звездчатые нанооболочки будут выступать в качестве биосенсоров внутри живого организма. Благодаря усилению сигнала КР от окружающих молекул, находящихся вблизи шипов, мы сможем получить информацию о химическом составе окружающей среды и узнавать о происходящих там процессах.

Нанозвезды покроем несколькими слоями серебра и встроим в зазоры между слоями молекулы-репортеры КР. Будем использовать их в качестве меток для визуализации благодаря КР от молекул-репортеров, находящихся внутри зазоров, то есть в области «горячих точек». 

Кроме того, наружная серебряная поверхность может быть использована для присоединения «узнающих» молекул при нацеленной доставке композитов к «молекулам-мишеням», например, к раковым клеткам, а также для последующей фототермической терапии. Так как мы планируем получить нанокомпозиты с максимальным усилением сигнала КР и с выраженным плазмонным резонансом, их вводимую дозу и время лазерного облучения удастся снизить, что позволит уменьшить побочные эффекты. 

– Можно ли сопоставить ваши исследования с зарубежными? 

– Уровень нашей работы соответствует мировому. Данная область развивается очень быстро, и мы также в этом участвуем. В частности, ученые впервые синтезировали нанозвезды десять лет назад, стали покрывать их серебром для усиления сигнала КР четыре года назад, включать репортерные молекулы между слоями – три года назад. 

В ходе исследований было обнаружено, что формирование нескольких слоев металла, с заключенными между ними репортерными молекулами может привести к еще большему усилению сигнала, – тогда начался активный синтез так называемых «наноматрешек». Кстати, мы тоже приняли участие в их разработке. В 2015-2016 годах этой теме был посвящен наш совместный российско-китайский проект, который был одновременно поддержан фондами двух стран.

Нанозвезды с несколькими слоями серебра будут синтезированы впервые. Будем проверять, при каких параметрах частиц сигнал КР от молекул максимально усилится. Много слоев наносить не стоит, так как слишком толстая серебряная оболочка может ослабить сигнал.

– Какой результат вы предполагаете получить?

– Мы планируем синтезировать нанокомпозиты, о которых я рассказал, и определить их оптимальные размерные параметры (толщину и количество слоев серебряной оболочки у нанозвезд, диаметр ядра, толщину оболочки и размер лучей у звездчатых нанооболочек) для получения максимального усиления сигнала ГКР. Также проведем теоретическое исследование локального усиления электрического поля внутри полостей и вблизи поверхности нанокомпозитов под действием лазерного излучения. Кроме того, займемся апробацией нанокомпозитов на биологических моделях – линиях раковых клеток – и на привитых раковых опухолях у лабораторных животных.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru