Широкое использование углеродных нанотрубок и других наноматериалов в биомедицинских целях, например, для доставки лекарств в живой организм, сдерживается из-за недостатка знаний об их поведении in vivo. Для серьезного изучения фармакокинетики и биораспределения in vivo требуется быстрый, удобный и универсальный метод слежения.

Такой метод – радиоиндикаторный с использованием метки ¹²⁵I – разработали китайские ученые. Продемонстрирована его эффективность при изучении in vivo биораспределения УНТ, функционализованных разными способами; количественно определены поглощение и распределение многостенных углеродных нанотрубок двух типов – тау-МСНТ и твин-МСНТ. (Тау-МСНТ – нанотрубки с ковалентной функционализацией таурином¹, твин-МСНТ – нанотрубки в оболочке твина²).

Рис. 1. Механизм отделения нанотрубки от пучка

Напомним, что для исследований in vivo используются растворы нанотрубок. Для их получения нанотрубки, обычно объединенные в жгуты или пучки, надо диспергировать. Существует два подхода к решению этой проблемы: механические методы и методы, которые изменяют поверхностную энергию (как физические, так и химические). Механические методы (например, ультразвуковая обработка) отделяют нанотрубки друг от друга, но могут и повредить их. Химические методы используют ковалентную функционализацию поверхности для повышения смачиваемости или адгезии, но при этом могут ввести дефекты (например, использование кислот при высоких температурах). В последние годы для приготовления и водных, и органических растворов стали широко использовать нековалентную функционализацию УНТ с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ) или полимеров [2].

Твины – одна из групп ПАВ. Ультразвуковая обработка, используемая вместе с ПАВ, помогает создать щели на концах пучков и облегчить проникновение ПАВ (рис.1). Возможные механизмы диспергирования нанотрубок с помощью ПАВ схематически показаны на рисунке 2.

Рис.2 Варианты «обертывания» нанотрубок поверхностно-активным веществом

МСНТ в работе [1] были синтезированы CVD методом. Диаметр 10–20 нм, длина от нескольких до нескольких десятков микрон. ¹²⁵I был получен в Китайском институте атомной энергии. После обработки и функционализации тау- и твин-МСНТ были маркированы радиоактивным йодом ¹²⁵I с помощью широко применяемого мягкого йодогенного метода. Были приготовлены также I-тау-МСНТ со стабильным йодом. Результаты исследования этих нанотрубок методом РФЭС говорят о том, что атомы йода ковалентно связаны с атомами углерода на стенке тау-нанотрубки.

Данные электронной микроскопии показывают, что нанотрубки в сыворотке крови мышей остаются диспергированными, при этом на тау-МСНТ, в отличие от твин-МСНТ, видны адсорбированные белки (рис.3).

Рис.3. Типичные TEM-фото тау-МСНТ (А) и твин-МСНТ (В) в сыворотке крови. Стрелками показано присоединение белков к тау-МСНТ

Эксперименты in vivo были проведены на мышах. После акклиматизации мышей разделили на группы по 5 штук и ввели внутривенно (в вену хвоста) однократную дозу 100 µл раствора ¹²⁵I тау-МСНТ. Через разные промежутки времени после этого мышей умертвили и с помощью γ-детектора определили активность ¹²⁵I (в процентах к исходной) в отдельно взятых тканях щитовидной железы, сердца, легкого, печени, почек, селезенки, желудка, кишечника.

Через 5 мин после введения примерно 80% тау-МСНТ достигло печени, и всего 5,4% и 2,4% попало в легкие и селезенку, соответственно (но не в другие органы – кровь, мозг, желудок, мышечную ткань, кость и кишечник). Через 6 часов в печени осталось ~ 75%, а 2,6% – в селезенке; в легких активность постепенно снижалась. Низкая радиоактивность в щитовидной железе, главной мишени для йода, указывает на то, что из индикатора теряется чрезвычайно малое его количество.

В отличие от тау-МСНТ, твин-МСНТ обнаруживаются не только в печени, селезенке, легких, но также в других органах – желудке, почке, кишечнике. При этом их поглощение в печени через все интервалы времени меньше, чем для тау-МСНТ. Более того, через 5 минут после инъекции содержание твин-МСНТ в крови составляет 6,5%, а тау-МСНТ в крови остается всего 0,7%. Видимо, это связано с хорошим диспергированием твин-МСНТ.

По мнению авторов метод, использующий радиоактивный йод, наиболее удобен. Нанесение метки происходит быстро и легко. В настоящее время для изучения накопления в органах лекарств и других веществ, путей их выведения, биодоступности используются меченые ¹⁴C-соединения, несмотря на очень высокую стоимость и трудоемкость синтеза. Для детектирования требуется жидкий сцинтилляционный счетчик. К тому же период полураспада ¹⁴С составляет 5730 лет, в отличие от ¹²⁵I, который имеет период полураспада 60,2 дня, то есть, нет проблем с хранением радиоактивных отходов. Сходство результатов, полученных для распределения ¹²⁵I тау-МСНТ в печени, селезенке и легком в работе китайских ученых, и в других исследованиях с ₁₄С тау-МСНТ, показывает, что метод радиоактивного йода надежен [1]. Конечно, он имеет некоторые ограничения. Ковалентная связь I-С сильнее физической адсорбции ионов йода на УНТ, но в физиологических условиях ее довольно просто разорвать. Метод подходит для довольно короткого слежения (менее 24 часов), однако в большинстве случаев этого достаточно. Метод прост, надежен и универсален.

_______________________

¹ таурин – от латинского taurus (бык), H₂N(CH₂)2SO₃H (на его основе, кстати, производятся известные глазные капли Тауфон), впервые был выделен из бычьей желчи.

² твины – группа поверхностно-активных веществ (Tween-60 – на основе полиэтиленоксидсорбитмоностеарата, Tween-80 – на основе полиэтиленоксидсорбитмоноолеата).

Автор – О. Алексеева

• 1. X.Deng et al., Nanotechnology 19, 075101 (2008)
• 2. ZL.Vaisman, Adv. Colloid Interface Sci. 128–130, 37 (2006)
• 3. M.S.Strano et al,. J Nanosci. Nanotech. 3, 81 (2003)
• 4. K.Yurekli et al., J Am. Chem. Soc. 126, 9902 (2004)