Введение к работе
Актуальность проблемы
В последнее время наблюдается неуклонный рост использования нанотехнологий в биологии и медицине. Наночастицы представляют большой интерес для медицины XXI века из-за принципиально новых возможностей по сравнению с существующими лекарствами в молекулярной форме. Особый интерес вызывает применение различных наночастиц для лечения и диагностики таких заболеваний, как рак, инсульт, атеросклероз, а также инфекционных заболеваний. На данный момент существует большое разнообразие наночастиц, обладающих различными полезными физико-химическими свойствами: полимерные, золотые и магнитные частицы (МЧ), квантовые точки (КТ), наноалмазы и многие другие. В то время как некоторые наночастицы уже допущены для введения человеку в диагностических целях, а другие проходят клинические испытания, большая часть разработанных наночастиц еще только изучается в научных лабораториях: разрабатываются как новые подходы синтеза, так и новые применения in vitro (методы иммуноанализа, магнитная сортировка клеток) и in vivo (визуализация опухолей и направленная доставка лекарств, и т.п.). Большинство применений in vitro, например иммуноанализ, требуют «узкоспециализированных частиц», оптимизированных по таким параметрам как размер, максимальный специфический и минимальный неспецифический сигналы и т.п. Применения in vivo, наоборот, требуют в первую очередь большей функциональности частиц, например, одновременную способность к диагностике заболевания и его терапии. Так, например, для лечения онкозаболеваний были бы полезны частицы, способные одновременно подтвердить злокачественную природу опухоли (за счет иммунохимии), визуализировать распространение опухоли (за счет, например, флуоресцентного сигнала), и убить раковые клетки (за счет токсичных веществ, нагрева и т.п.). Разработка методов получения многофункциональных структур, содержащих в себе различные вышеперечисленные наночастицы, является важной задачей биомедицины.
Не менее важной является задача изучения поведения созданных нано- и микроагентов in vivo. Для создания эффективных препаратов требуется оптимизировать не только функционал структур, но и их фармакокинетические свойства - время циркуляции в кровотоке, распределение по органам, а также сделать их наименее токсичными и либо деградируемыми до безопасных молекулярных веществ, либо максимально инертными. Поэтому создание надежных методов детекции агентов и методов, позволяющих отслеживать их биотрансформацию и поведение после введения, является одной из актуальнейших проблем тераностического использования наночастиц.
Цель работы - разработка многофункциональных магнитоуправляемых нано- и микроструктур, а также разработка новых методов для всестороннего изучения поведения таких структур in vivo, в частности, для определения фармакокинетических параметров, например, времени циркуляции структур в крови, для количественного изучения распределения в органах, а также для определения путей биодеградации структур и их компонентов в тканях.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
^ Разработать метод самосборки многофункциональных структур на основе
магнитных нано- и микрочастиц и молекулярного интерфейса барназа-
барстар. ^ Разработать метод детекции магнитных частиц ex vivo и in vivo в организме
экспериментальных животных: в кровотоке и в органах. > Синтезировать оптимальные магнитные метки для высокочувствительной
регистрации разработанным методом. ^ Разработать методы изучения фармакокинетических характеристик
наночастиц, таких как время выведения из кровотока, распределения в
органах и процессов биодеградации частиц.
Научная новизна
Впервые предложен метод получения многофункциональных нано- и микро-суперструктур путем самосборки функциональных агентов различной природы с помощью белок-белковых взаимодействий, а именно, с помощью молекулярного адаптера барназа-барстар. Впервые продемонстрировано, что системы нековалентной самосборки, в которых участвуют гибридные функциональные элементы - конъюгаты коллоидных частиц с белками, могут быть необычно стабильными и выдерживать экстремальные для молекулярных белков денатурирующие условия. Впервые в данной работе был предложен и разработан высокочувствительный метод количественной детекции магнитных частиц как нелинейных магнитных материалов при комнатной температуре в реальном времени в экспериментальных животных. Впервые предложен метод исследования процессов деградации in vivo магнитных наночастиц до ферритино-подобного железа с помощью мёссбауэровской спектроскопии.
Практическая значимость работы
Разработанная методика получения многофункциональных нано- и микроконструкций в сочетании с уникальным по чувствительности методом их детекции в живых организмах перспективна для исследований в области диагностики и терапии различных заболеваний на ранних стадиях, например, для
обнаружения раковых опухолей внешним зондом по скоплению магнитных структур, несущих специфические антитела к онкомаркерам. Предложенный метод белок-опосредованной самосборки сверхпрочных многофункцональных структур может быть использован для создания тераностических агентов с переменным составом и функционалом для целей персонализированной медицины. Разработанный метод мониторинга структур на основе магнитных маркеров в тканях организма и непосредственно в токе крови может успешно заменить диагностические методы на основе радиоактивности. Кроме того, разработанный метод регистрации МЧ позволяет эффективно контролировать и выбирать оптимальные нано- и микроагенты для управляемой доставки лекарственных препаратов, гипертермии опухолей, и т.д. Также метод, являясь принципиально новым физическим методом изучения поведения нано- и микрочастиц в организме, может быть использован для получения новой информации касательно фармакокинетики частиц, их токсичности и т.п.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 9th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, США 2012; IV Международный форум по нанотехнологиям, Россия, 2011; EMBO Conference on Biological Surfaces and Interfaces, Испания, 2011; Конференция «Нанотехнологии в онкологии», Россия, 2010; Пленум научного совета по биологической физике: биофизика и нанотехнологии. Проблемы и перспективы, Россия, 2010; 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, Германия, 2010; Конгресс «Биотехнология -состояние и перспективы развития», Россия, 2009; Международный Форум по Нанотехнологиям, Россия, 2008; Конференция «Нанотехнологии в онкологии 2008», Россия, 2008; Nanomedicine and Drug Delivery Symposium, США, 2007.
Публикации. По материалам работы опубликовано 11 статей в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, 1 патент РФ и 8 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, одной главы литературного обзора, четырех глав описания экспериментов, заключения и списка литературы из 150 наименований, изложена на 139 страницах машинописного текста, и содержит 79 рисунков, 3 таблицы.
