Группа ученых из ИБХ РАН, МФТИ, Университета «Сириус», ИОФ РАН, НИЯУ МИФИ и РНИМУ первой исследовала долговременную судьбу магнитных наночастиц в организме животных. Они используются для направленной доставки лекарств и уже допущены к применению в медицине. Но долгое время было неизвестно, что происходит с наночастицами после осуществления ими терапии. Благодаря новой разработке российских биохимиков стало известно, как «стареют» и распадаются магнитные наночастицы в организме млекопитающих.

Результаты опубликованы в престижном журнале ACS Nano.

Адресная доставка лекарств — одно из прорывных направлений развития современной диагностики и терапии различных заболеваний. В идеале «умные» наночастицы, транспортирующие препараты, должны сами находить, распознавать и лечить очаг болезни. Распространенный объект научных исследований в области таргетной терапии — магнитные наночастицы, они широко используются для управляемой доставки лекарств и уже применяются в медицинской практике. В частности, они являются яркими контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии (МРТ) – одного из самых востребованных сегодня инструментов функциональной диагностики. Кроме того, ряд составов магнитных частиц с сахарами используется для терапии железодефицитной анемии. Долгое время оставалось неясным, как ведут себя наночастицы в организме после того, как выполнили свою функцию.

Команда российских ученых-биохимиков разработала новый спектральный магнитный метод детекции материалов. Он позволяет отделять сигнал магнитных наночастиц от железа, которое в норме содержится в организме. Мышь располагается областью печени и селезенки над магнитной катушкой, воздействующей на наночастицы, и по магнитному отклику измеряется, какое количество железа осталось в составе частиц, а какое уже вошло в состав белков млекопитающего.

Рисунок. Cхема измерения старения магнитных частиц в печени и селезенке млекопитающих. Источник ACS Nano

Высокая чувствительность метода и возможность проводить измерения без смерти животных позволили впервые провести настолько масштабное исследование в области нанобиотехнологий. Ученые смогли сравнить между собой скорость деградации 17 типов наночастиц, изучили влияние на биоразложение в организме их размера, дозы, заряда поверхности, покрытия и внутреннего строения.

После введения в кровоток наночастицы накапливаются в лизосомах и медленно растворяются под действием кислоты и ферментов. Ученые показали, что скорость этого процесса очень сильно зависит от внутреннего строения материала: с помощью дизайна наночастиц можно ускорить время полной деградации с нескольких лет до одного месяца.

К примеру, быстрее всего деградировали маленькие частицы с отрицательным зарядом. Среди различных полимеров, покрывающих частицы, слабее всех замедлял растворение полимер глюкуроновой кислоты, а сильнее всего — полистирол.

«Эта работа была бы невозможна без создания подхода для неинвазивной детекции магнитных частиц в организме. Измерения проводились более года. Использование классических подходов потребовало бы для подобного эксперимента более тысячи мышей, что неразумно как по этическим соображениям, так и по финансовым и человеческим трудозатратам», — отмечает Максим Никитин, один из авторов статьи, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ, руководитель направления «Нанобиомедицина» Научно-технологического университета «Сириус».

Затем ученые попытались понять, что происходит с остатками наночастиц. Они обнаружили, что избыточное железо, которое образовалось при их растворении, не выводится из организма. Вместо этого у животных уменьшалось усвоение того железа, которое поступает из пищи. В результате железо от частиц полностью переходило в низкотоксичные формы, откладывалось в печени и селезенке и, вероятно, использовалось организмом по своему усмотрению: для создания эритроцитов, регуляции метаболических процессов и других применений.

Важным открытием стало отсутствие долговременной токсичности магнитных частиц для организма. Единственными изменениями, которые были обнаружены, оказались временное увеличение популяции иммунных клеток, участвующих в распознавании частиц и их переработке, а также долговременное отложение избыточного железа в печени и селезенке.

Фото. Иван Зелепукин, первый автор статьи, синтезирует наночастицы для терапии. Фотограф: Роман Михеев

«Тот факт, что магнитные частицы переходят в биогенное железо, — важная особенность. Ее можно использовать для терапии некоторых форм анемий, — говорит Иван Зелепукин, первый автор статьи, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии РАН, выпускник МФТИ. — Наши исследования проливают свет на разумный дизайн наноматериалов с контролируемой скоростью высвобождения железа».

Исследование было выполнено при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований и является продолжением серии работ, в которых изучаются механизмы взаимодействия частиц с организмом.