Коронованные наночастицы и доставка лекарств

Старшему научному сотруднику химического факультета МГУ Владимиру Боченкову совместно с коллегами из Дании удалось расшифровать механизм взаимодействия наночастиц серебра с клетками иммунной системы. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Nature Сommunications.

«В настоящее время в мире производится большое количество продукции, содержащей наночастицы серебра: антибактериальные препараты, зубная паста, лаки, краски, фильтры, упаковка, медицинские и текстильные изделия. В основе действия этой продукции лежит способность серебра при окислении растворяться с образованием ионов серебра Ag+, имеющих бактерицидные свойства. При этом имеются данные исследований in vitro, свидетельствующие о токсичности наночастиц серебра для различных органов, включая печень, мозг и легкие. В этой связи принципиально важно изучение процессов, происходящих с наночастицами серебра в биологических средах, и факторов, влияющих на их токсичность», — говорит Владимир Боченков.

В работе изучалась белковая корона — слой адсорбированных белковых молекул, формирующийся на поверхности наночастиц серебра при их попадании в биологическую среду, например, в кровь. Белковая корона маскирует наночастицы и во многом определяет их дальнейшую судьбу: скорость выведения из организма, способность проникновения в клетки определенного типа, распределение между органами и т.д.

Согласно новейшим научным исследованиям белковая корона состоит из двух слоев: жесткой короны (hard corona) — молекул белка, прочно связанных с наночастицей серебра, и мягкой короны (soft corona), состоящей из слабо связанных молекул белка, находящихся в динамическом равновесии с раствором. До настоящего времени мягкая корона была изучена очень слабо из-за экспериментальных сложностей: при отделении наночастиц от белкового раствора слабо связанные молекулы белка десорбируются (покидают частицу, оставаясь в растворе), оставляя на поверхности наночастиц только жесткую корону. Размер изучавшихся в работе наночастиц серебра составляет 50-88 нм, а диаметр белков, образующих корону — 3-7 нм. Ученым удалось исследовать наночастицы серебра с белковой короной in situ, то есть не извлекая их из биологической среды. Благодаря использованию явлению локализованного поверхностного плазмонного резонанса для зондирования среды вблизи поверхности наночастицы серебра впервые были исследованы функции мягкой короны.

«В нашей работе было показано, что корона может влиять на способность наночастицы растворяться с образованием катионов серебра Ag+, которые определяют токсический эффект. В отсутствие мягкой короны (быстро обменивающегося со средой белковым слоем) катионы серебра связываются при взаимодействии с серосодержащими аминокислотами сывороточной среды, в особенности цистеином и метионином, и осаждаются в виде нанокристаллитов Ag2S в жесткой короне», — рассказывает Владимир Боченков.

Как известно, сульфид серебра Ag2S легко образуется на поверхности серебра даже на воздухе в присутствии следов сероводорода. Сера также входит в состав многих биомолекул, содержащихся в организме человека, при реакции с которыми серебро может превращаться в сульфид. Формирование нанокриталлитов Ag2S из-за низкой растворимости снижает биодоступность ионов Ag+, сводя токсичность наночастиц серебра на нет. При достаточном количестве доступных для реакции молекул аминокислот-источников серы все потенциально токсичное серебро преобразуется в частицы нетоксичного нерастворимого сульфида. Учёные показали, что так происходит в случае отсутствия мягкой короны.

При наличии мягкой короны нанокристаллиты сульфида серебра Ag2S образуются в меньшем количестве или не образуются совсем. Ученые объясняют это тем, что слабо связанные белковые молекулы переносят ионы Ag+ от наночастицы в раствор, тем самым не оставляя возможности кристаллизоваться сульфиду. Таким образом, белки мягкой короны являются транспортом для ионов серебра.

Данный эффект, считают ученые, необходимо учитывать при анализе стабильности наночастиц серебра в белковых средах, а также при интерпретации результатов изучения их токсичности. Исследования жизнеспособности клеток имунной системы (мышиных макрофагов линии J774) подтвердили снижение клеточной токсичности наночастиц серебра при сульфидировании (в отсутствие мягкой короны).

Владимир Боченков занимался моделированием спектров плазмонного резонанса изучаемых систем и созданием теоретической модели, позволившей количественно определять содержание сульфида серебра вокруг наночастиц in situ по изменению положения полос поглощения в экспериментальных спектрах. Поскольку частота плазмонного резонанса чувствительна к изменению диэлектрической проницаемости среды вблизи поверхности наночастицы, сдвиги в спектрах поглощения несут в себе информацию о количестве образовавшегося сульфида серебра.

Знание механизмов формирования и динамики поведения белковой короны, информация о ее составе и строении чрезвычайно важны для понимания токсичности и опасности наночастиц для человеческого организма. В перспективе направленное формирование белковой короны может быть использовано для доставки лекарств в организме, в том числе для лечения раковых опухолей. Для этого достаточно будет подобрать такой состав белковой короны, который позволит наночастицам серебра проникать только в раковую клетку и убивать её.