В России создана не имеющая мировых аналогов методика анализа
биораспределения наночастиц, которая поможет разработать технологию адресной
доставки лекарств с помощью ферромагнитной жидкости. Об исследованиях в этой
области рассказал руководитель Лаборатории физики поверхности микроэлектронных
структур Физико-технологического института им. К.А. Валиева РАН д.ф.-м.н.
Михаил Чуев на Научном совете РАН
«Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и
управляющих систем и материалов для ее создания» под руководством академика-секретаря Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
Геннадия Красникова.
Адресная доставка лекарственных препаратов именно в тот
орган, который нуждается в лечении, позволяет избежать побочных эффектов,
которые эти препараты могут оказать на весь организм. Один из способов такой
доставки предполагает введение в организм ферромагнитной жидкости –
физиологического раствора с наночастицами железа, к которым присоединяются
оболочки с лекарством. К определенному участку тела прикладывается сильный
магнит, и под его воздействием наночастицы железа концентрируются в нужном месте.
Затем под внешним воздействием – например, переменного высоко- или
низкочастотного магнитного поля – оболочки разрушаются и лекарство попадает
непосредственно в больной орган.
Все бы хорошо, но есть ряд вопросов, требующих
дополнительного исследования. Ведь после введения лекарства «транспорт» по его
доставке – наночастицы железа – остаются в организме. Необходимо понять, что с
ними происходит с течением времени.
«Мы решали задачи исследования биораспределения наночастиц, –
рассказывает Михаил Чуев. – Наночастицы – это все-таки инородные для организма тела
и важно понимать, как они трансформируются в нем и насколько быстро из него выводятся».
Есть два пути вывода наночастиц из организма: метаболизм и биодеградация.
Метаболизм – это вывод с продуктами жизнедеятельности. А
биодеградация –накопление посторонних веществ в белке, своего рода
«захоронение» чужеродных элементов с последующим выводом их из организма в
более длительные сроки. Есть разновидность белка – ферритин, – которая «видит»
избыток железа в организме и начинает его концентрировать у себя.
«Биологический эксперимент проводится следующим образом:
берутся специально выращенные эталонные мыши, одинаковые, как клоны, и им в хвост
вводится феррожидкость одинакового объема, которая распространяется по
организму через кровоток, – рассказывает Михаил Чуев. – Из той же партии
выбирается контрольная мышь, в которую феррожидкость не вводится, а остальные
забиваются через определенные промежутки времени и разделываются на органы. Эти
образцы высушивают и передают нам на анализ. Мы определяем концентрацию
наночастиц и ферритина в разных органах с использованием гамма-резонансного,
или мёссбауэровского, спектрографа и магнитометра».
В основе методики – крайне высокая чувствительность мёссбауэровского
спектра к изменению магнитного поля при изменении концентрации наночастиц
железа. Сами по себе эти измерения вполне стандартны, но, чтобы применить их к
исследованиям биологических образцов и вычленить из мёссбауэровских спектров
данные о концентрации наночастиц, их размерах и количестве ферритина, пришлось
решить ряд задач на уровне квантовой механики.
К примеру, белок, в отличие от оксидов железа, из которых
состоят наночастицы, является антиферромагнетиком, то есть не притягивается магнитом,
и вопрос о применимости стандартных измерений для его обнаружения требовал
дополнительного изучения.
Другая проблема состояла в том, что концентрация наночастиц
определяется по площади мёссбауэровского спектра, но эта площадь пропорциональна
не только числу частиц. На нее влияет и другой фактор, связанный с вероятностью
мёссбауэровского эффекта как такового. Этот фактор зависит от температуры. Поскольку
концентрация наночастиц в образце с температурой не меняется, то площадь спектра,
измеренного при разных температурах, меняется только за счет этого фактора, который
таким образом можно вычленить. Поэтому измерения проводятся при двух разных температурах
образца – при 300°К, то есть
при комнатной температуре, и при температуре жидкого азота.
В результате почти десятилетних экспериментов и
теоретических исследований была разработана уникальная методика диагностики, не
имеющая аналогов в мире.
«Новое по сравнению с аналогичными исследованиями состоит в
том, что наши методики дают более точный анализ происходящих в организме процессов
биодеградации и метаболизма наночастиц, – поясняет Михаил Чуев. – Эта
пионерская методика. С такой точностью и детализацией подобный анализ не проводился
нигде в мире».
«Всю эту квантовую и неквантовую механику мы использовали
для более тонких экспериментов, – рассказывает ученый. – Например, для
исследований крыс, в мозг которых вводится феррожидкость. Если запускать ее в
хвост, то наночастицы доходят до всех органов, кроме мозга. Там есть барьер,
который не пускает туда посторонние вещества. Так устроены все живые существа. Чтобы
завести наночастицы в мозг, надо делать операцию. Такого рода процедура была проведена,
и мы сделали измерения по нашей методологии и посмотрели, как развивается
биодеградация и метаболизм в этой системе».
На приведенном выше слайде показано, как нарастает
концентрация ферритина и уменьшается концентрация наночастиц в мёссбауэровских спектрах
образцов, полученных в разное время после введения ферромагнитной жидкости в мозг
животного.
«На вывод наночастиц из организма мышей и крыс уходят недели
или месяцы, – рассказывает о практических результатах исследований Михаил Чуев.
– Даже крысы, которым ввели эту жидкость в мозг, после всех этих операций жили
до трех месяцев, что позволило провести все измерения».
Методика адресной доставки лекарств с помощью магнитных
наночастиц считается перспективной, и за рубежом уже проводятся эксперименты с
людьми, однако до широкого ее внедрения в медицинскую практику требуются
дополнительные исследования, и уникальная методология диагностики,
разработанная в России, позволит провести их более качественно.
«Образовался некий конгломерат ученых разной специализации, –
рассказывает Михаил Чуев. – Я специалист по диагностике, владею физическими
методами, которые позволяют определять концентрацию частиц. Есть специалисты,
которые занимаются биологией. Есть те, которые умеют одевать частицы
фармакологией. Это тоже целый процесс. Мы готовим почву для внедрения этой
технологии в России».
Впрочем, медициной область применения данной методики диагностики
не исчерпывается, поскольку наночастицы с магнитными свойствами используются в
самых разных приложениях: от производства запоминающих устройств до процессов каталитической
химии.
Доклад Михаила Чуева стал лишь одним из более чем двух
десятков выступлений на двух заседаниях Научного
совета «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и
управляющих систем и материалов для ее создания» по теме «Развитие
методов диагностики материалов и элементной базы», которые прошли 25 ноября и 9
декабря 2021 г. под руководством академика РАН Геннадия Красникова. За два дня
была рассмотрена основная часть методов диагностики наноматериалов и элементной
базы. По результатам работы Совета будет подготовлено информационное сообщение
президенту РАН, президиуму и заинтересованным научным советам РАН.
Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.