Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в медицине, особенно — в терапии раковых заболеваний, очевидна необходимость разработки методов адресной доставки лекарственных средств. Адресная доставка позволяет, во-первых, существенно снизить дозировку дорогостоящих малотоксичных препаратов нового поколения и, во-вторых, использовать антираковые препараты предыдущего поколения, обладающие высокой эффективностью при высокой токсичности, существенно снижая побочные эффекты от их применения.
Существует несколько разновидностей контейнеров, пригодных для кап-суляции биологически активных веществ, среди которых следует выделить полиэлектролитные микрокапсулы [І], структуру стенок которых можно задавать достаточно точно, чтобы управлять физическими и химическими свойствами микрокапсул.
В настоящее время отработана технология получения микрокапсул из биосовместимых полиэлектролитов, например, из полиаргинина, декстран сульфата, полилизина, хитозана и других [Л1, Л2]. Существует методика кап-суляции водорастворимых полимеров путем изменения рН [2] и ионной силы дисперсионной среды, а также термообработки [3]. Путем встраивания в оболочку плазмонно-резонансных наночастиц и последующего облучения микрокапсул лазером возможно осуществлять разрушение их оболочек и высвобождение содержимого. Существуют работы по вскрытию микрокапсул лазерным излучением внутри клеток (in vitro) [4]. Показана возможность использования переменного магнитного поля для управления проницаемостью оболочек микрокапсул, содержащих магнитные наночастицы [5]. Однако для создания систем адресной, доставки лекарственных препаратов необходимо осуществлять как управляемое перемещение капсул, так и дистанционное управление проницаемостью их оболочек.
Дистанционное управление проницаемостью оболочек микрокапсул возможно осуществить, вводя в их структуру нанообъекты, чувствительные к тому или иному виду воздействия. Так, известны работы, в которых разрушение капсул осуществлялось при помощи лазерного излучения, для чего в их оболочки встраивали плазмонно-резонансные наночастицы благородных металлов [6,7].
Кроме того, для решения задачи адресной доставки лекарственных препаратов необходимо иметь возможность контроля пространственного распределения микрокапсул, содержащих лекарственную форму. Одним из путей решения данной проблемы является использование магнитного поля заданной конфигурации для управления пространственным распределением микрокапсул, оболочки которых чувствительны к такому воздействию. При этом следует учитывать высокую локальность лазерного воздействия, применяв-
мого для высвобождения содержимого капсул, приводящую к необходимости визуализации микрокапсул в биологических тканях. В настоящее время проблема визуализации микрокапсул с помощью стандартного медицинского диагностического оборудования исследована недостаточно.
В приложениях, требующих коллективного вскрытия множества микрокапсул (например, для терапии раковых опухолей), необходимо использовать воздействие, обеспечивающее меньшую локальность. Примером такого воздействия является микроволновое излучение сантиметрового диапазона, обладающее, к тому же, значительно большей глубиной проникновения в ткани по сравнению с лазерным [8].
Таким образом, для создания системы доставки лекарственных препаратов представляется возможным использовать мультифункциональные нано-композитные полиэлектролитные микрокапсулы, оболочка которых составлена из биосовместимых полимеров. Такие мультифункциональные микрокапсулы должны обладать чувствительностью одновременно к нескольким воздействиям, обеспечивающим возможность дистанционного управления пространственным распределением микрокапсул и проницаемостью их оболочек.
Цель работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы явилось создание мультифункциональ-ных нанокомпозитных микрокапсул, обладающих чувствительностью к электромагнитному воздействию оптического или СВЧ диапазонов, и исследование возможности дистанционного управления пространственным распределением микрокапсул и проницаемостью их оболочек.
Основными задачами исследования являлись:
Получение перемещаемых магнитным полем и вскрываемых лазерным излучением нанокомпозитных микрокапсул на основе биосовместимых полиэлектролитов. .
Управление перемещением оболочек микрокапсул постоянным магнитным полем и изучение их движения в средах с различной вязкостью.
Исследование возможности применения стандартного диагностического оборудования, применяемого в медицине для визуализации микрокапсул в моделях биологических сред.
Исследование влияния СВЧ излучения на проницаемость оболочек нанокомпозитных микрокапсул для макромолекул.
Научная новизна работы
1. Впервые из биосовместимых материалов (полиаргинин, декстран сульфат) получены микрокапсулы, функционализированные одновременно магнитными- и плазмонно-резонансными наночастицами, обеспечивающими чувствительность к магнитному полю и к лазерному излучению.
Показано влияние СВЧ излучения с частотой 2.45 ГГц на проницаемость оболочек нанокомпозитных микрокапсул.
Показана возможность перемещения нанокомпозитных микрокапсул, содержащих одновременно наночастицы магнетита и золота в водной среде при помощи магнитного поля.
Получены микрокапсулы, содержащие в оболочке объемно-полостные молекулы бета-циклодекстрина, способные образовывать комплексы включения по механизму «гость-хозяин».
Научно-практическая значимость работы
Созданы биосовместимые нанокомпозитные микрокапсулы, обладающие чувствительностью к магнитному полю и лазерному излучению, которые могут быть использованы в качестве микроконтейнеров, содержащих лекарственные средства или биологически активные вещества (ДНК-вакцины), обеспечивая их адресную доставку и пролонгированное действие.
Реализована визуализация процесса доставки капсул средствами оптической когерентной томографии, которая важна для обеспечения контроля перемещения капсул при помощи магнитного поля и предоставляет широкие возможности в реализации адресной доставки и прецизионного воздействия.
Показана чувствительность нанокомпозитных микрокапсул к СВЧ излучению, которое позволяет дистанционно управлять процессом высвобождения их содержимого.
Продемонстрировано взаимодействие нанокомпозитных микрокапсул, содержащих наночастицы магнетита, с клетками крови и возможность создания систем «клетка-капсула», которые могут быть использованы для оптимизации частоты и мощности воздействия, вызывающего увеличение проницаемости оболочек микрокапсул.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры и подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Введение наночастиц магнетита и плазмонно-резонансных наночастиц золота в. структуру оболочек микрокапсул, построенных на основе биосовместимых полиэлектролитов, позволяет получить мультифункциональные микрокапсулы, разрушаемые под действием лазерного излучения и позволяющие реализовать их перемещение под действием магнит-. ного поля. Наличие по крайней мере одного слоя наночастиц золота с
коэффициентом заполнения площади оболочки не менее 1 % оказывается достаточным для разрушения микрокапсул.
Встраивание наночастиц магнетита в оболочки микрокапсул диаметром 5 мкм позволяет управлять их пространственным распределением в водных растворах глицерина, вязкость которых варьировалась в пределах, перекрывающих все возможные значения вязкости крови, включая патологию, путем приложения внешнего магнитного поля. Показано, что время перемещения микрокапсул вдоль линий индукции магнитного поля в среде монотонно возрастает с увеличением вязкости в диапазоне значений последней 1.01-35.5 мПа-с.
Действие СВЧ излучения с частотой 2.45 ГГц приводит к увеличению проницаемости оболочек полиэлектролитных нанокомпозитных микрокапсул, содержащих в своей структуре наночастицы магнетита. Изменение проницаемости оболочек возрастает с увеличением числа слоев наночастиц, встроенных в оболочки капсул. Для капсул, содержащих 3 слоя наночастиц и имеющих проницаемость оболочек 7.3 Ю-7 м/с, она увеличивается приблизительно на 30%, для капсул, содержащих 5 слоев наночастиц и имеющих проницаемость оболочек 7.6 Ю-7 м/с — на 97%. Эффект объясняется разогревом наночастиц магнетита при поглощении энергии электромагнитного излучения, сопровождающийся их выходом из оболочки с образованием в ней дефектов в виде пор и трещин.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на международных конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (Нижний Новгород, 2005, Казань, 2007, Самара, 2008), Saratov Fall Meeting 2006: Coherent Optics of Ordered and Random Media VII (СГУ, 2006), всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы», (Москва, 2006), всероссийской конференции «Методы компьютерной диагностики в медицине» (СГУ, 2007), на семинаре в рамках совместного российско-британского проекта BRIDGE (СГУ, 2007), а также на семинарах рабочей группы и кафедры.
Гранты
Работа, представленная в диссертации, выполнена при финансовой поддержке следующих проектов: «Создание нанокомпозитных планарных слоев и оболочек микрокапсул методом полиионной сборки и исследование их физических свойств» (Мин. образования и науки РФ РИ-19.0/002/227 ГК №02.442.11.7183) (2005 г.); «Создание и исследование физических свойств нанокомпозитных микро- и наноструктур» (Мин. Образования и науки РФ
РИ-19.0/001/051 ГК №02.442.11.7249) (2006 г.); российско-немецкий совместный проект DFG 436 RUS 113/844/0-1 и РФФИ 06-02-04009 (2006-2007 -2008-2009 г.); «Функционализованные наночастицы с настраиваемым плаз-монным резонансом и полиэлектролитные микрокапсулы с наночастицами в составе оболочки» (Мин. Образования и науки РФ 2007-3-1.3-07-01-081 ГК №02.513.11.3043); российско-британский научный проект в рамках программы BRIDGE в области наноиндустрии «Создание и исследование муль-тифункциональных микроконтейнеров с дистанционно управляемыми свойствами» (2007 г.); Инновационно-образовательная программа СГУ (2007-2008 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 6 статей в реферируемых научных журналах списка ВАК, 3 статьи в сборниках конференций и 5 тезисов докладов. Имеется 1 патент на полезную модель.
Личный вклад диссертанта
Все основные экспериментальные результаты диссертации, связанные получением микрокапсул и исследованием их физических свойств, выполнены лично автором. Постановка задач исследования и обсуждение результатов проведены под руководством доцента Д. А. Горина. Интерпретация результатов измерений спектров КСВН и ослабления выполнена при участии профессора А. И. Михайлова. При использовании результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Структура и объем работы
