Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄
В данной работе получен нанопорошок Fe₃O₄, определены его фазовый состав, дисперсность частиц и магнитные характеристики. Выполнен анализ способности магнетита Fe₃O₄ адсорбировать белковые компоненты культуральных сред, а также исследованы цитотоксичность наночастиц и характер их взаимодействия с ку...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73145 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ / В.В. Кирошка, Н.В. Репин, В.М. Надутов, А.Е. Перекос, В.З. Войнаш, Ю.О. Тищенко, Т.П. Бондаренко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 787-798. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860180874216079360 |
|---|---|
| author | Кирошка, В.В. Репин, Н.В. Надутов, В.М. Перекос, А.Е. Войнаш, В.З. Тищенко, Ю.О. Бондаренко, Т.П. |
| author_facet | Кирошка, В.В. Репин, Н.В. Надутов, В.М. Перекос, А.Е. Войнаш, В.З. Тищенко, Ю.О. Бондаренко, Т.П. |
| citation_txt | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ / В.В. Кирошка, Н.В. Репин, В.М. Надутов, А.Е. Перекос, В.З. Войнаш, Ю.О. Тищенко, Т.П. Бондаренко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 787-798. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | В данной работе получен нанопорошок Fe₃O₄, определены его фазовый состав, дисперсность частиц и магнитные характеристики. Выполнен анализ способности магнетита Fe₃O₄ адсорбировать белковые компоненты культуральных сред, а также исследованы цитотоксичность наночастиц и характер их взаимодействия с культурой альвеолярных макрофагов (АМ) в зависимости от концентрации и времени инкубации. Анализ микроструктуры наночастиц в среде, содержащей 10% эмбриональную телячью сыворотку (ЭТС), показал, что наличие белкового компонента в среде культивирования приводит к образованию вокруг наночастиц тонкой оболочки. Установлено, что при инкубации АМ с наночастицами наблюдается их внутриклеточная локализация, плотность которой определяется концентрацией наночастиц и временем экспозиции. Снижение жизнеспособности клеток до 75% при их взаимодействии с исследуемым наноматериалом отмечено
при использовании максимальной концентрации Fe₃O₄ в течение 24-х часов. Предполагается, что адсорбция белковых молекул культуральной среды на поверхности наночастиц облегчает их проникновение внутрь клеток путём эндоцитоза, а также снижает реакционную способность поверхности наночастиц, что и проявляется в их низкой цитотоксичности. Высокая степень биоактивности и биосовместимости наночастиц Fe₃O₄ при взаимодействии с культурой макрофагов даёт право рассматривать полученные нанопорошки с точки зрения их применения в биологии и медицине для магнитоуправляемого транспорта лекарственных препаратов.
У даній роботі одержано нанопорошок Fe₃O₄, визначено його фазовий склад, дисперсність частинок і магнетні характеристики. Виконано аналізу здатности магнетиту Fe₃O₄ адсорбувати білкові компоненти культуральних середовищ, а також досліджено цитотоксичність наночастинок і характер їх взаємодії з культурою альвеолярних макрофагів (АМ) залежно від концентрації та часу інкубації. Аналіза мікроструктури наночастинок у середовищі, що містить 10% ембріональну телячу сироватку (ЕТС), показала, що наявність білкової компоненти в середовищі культивування призводить до утворення навколо наночастинок тонкої оболонки. Встановлено, що при інкубації АМ з наночастинками спостерігається їх внутрішньоклітинна локалізація, густина якої визначається концентрацією наночастинок і часом експозиції. Зниження життєздатности клітин до 75% при їх
взаємодії з досліджуваним наноматеріялом відзначено при використанні максимальної концентрації Fe₃O₄ упродовж 24-х годин. Передбачається, що адсорбція білкових молекуль культурального середовища на поверхні наночастинок полегшує їх проникнення усередину клітин шляхом ендоцитозу, а також знижує реакційну здатність поверхні наночастинок, що й проявляється в їх низькій цитотоксичності. Таким чином, висока ступінь біоактивности і біосумісности наночастинок Fe₃O₄ при взаємодії з культурою макрофагів дає право розглядати одержані нанопорошки з точки зору їх застосування в біології та медицині для магнетокерованого транспорту лікарських препаратів.
In a given work, Fe₃O₄ nanopowder was fabricated. Its phase composition, particle dispersity, and magnetic characteristics are determined. Ability of magnetite (Fe₃O₄) to adsorb protein components of culture media is analysed; nanoparticles cytotoxicity and character of their interaction with alveolar macrophage (AM) culture depending on concentration and incubation time are studied. The analysis of nanoparticles microstructure in a media containing 10% of Fetal Bovine Serum (FBS) shows that presence of a protein component in cultural medium leads to the formation of thin coat around nanoparticles. During incubation of AM with nanoparticles, their intercellular localization is observed; its density is determined by both the concentration of nanoparticles and the exposure time. Cells viability reduction down to 75% during their interaction with the studied nanomaterial is revealed, when the maximum concentration
of Fe₃O₄ for 24 hrs. is used. It is supposed that adsorption of protein molecules of culture medium on the surface of nanoparticles facilitates their penetration inside the cells by endocytosis and reduces the reaction ability of the nanoparticles surface that results in their low cytotoxicity. Thus, a high rate of bioactivity and compatibility of Fe₃O₄ nanoparticles during interaction with the culture of macrophages suggests an application of the obtained nanopowders in biology and medicine for magnetically controlled transport of drugs.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:01:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
787
PACS numbers: 61.05.cp, 61.43.Gt,75.50.Tt,75.60.Ej,81.07.Wx,87.50.wf, 87.85.jj
Синтез, биологическая активность и цитотоксичность
нанопорошков на основе Fe3O4
В. В. Кирошка, Н. В. Репин, В. М. Надутов*, А. Е. Перекос*,
В. З. Войнаш*, Ю. О. Тищенко, Т. П. Бондаренко
Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины,
ул. Переяславская, 23,
61015 Харьков, Украина
*Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
В данной работе получен нанопорошок Fe3O4, определены его фазовый со-
став, дисперсность частиц и магнитные характеристики. Выполнен анализ
способности магнетита Fe3O4 адсорбировать белковые компоненты культу-
ральных сред, а также исследованы цитотоксичность наночастиц и харак-
тер их взаимодействия с культурой альвеолярных макрофагов (АМ) в зави-
симости от концентрации и времени инкубации. Анализ микроструктуры
наночастиц в среде, содержащей 10% эмбриональную телячью сыворотку
(ЭТС), показал, что наличие белкового компонента в среде культивирова-
ния приводит к образованию вокруг наночастиц тонкой оболочки. Уста-
новлено, что при инкубации АМ с наночастицами наблюдается их внутри-
клеточная локализация, плотность которой определяется концентрацией
наночастиц и временем экспозиции. Снижение жизнеспособности клеток
до 75% при их взаимодействии с исследуемым наноматериалом отмечено
при использовании максимальной концентрации Fe3O4 в течение 24-х ча-
сов. Предполагается, что адсорбция белковых молекул культуральной сре-
ды на поверхности наночастиц облегчает их проникновение внутрь клеток
путём эндоцитоза, а также снижает реакционную способность поверхности
наночастиц, что и проявляется в их низкой цитотоксичности. Высокая сте-
пень биоактивности и биосовместимости наночастиц Fe3O4 при взаимодей-
ствии с культурой макрофагов даёт право рассматривать полученные нано-
порошки с точки зрения их применения в биологии и медицине для магни-
тоуправляемого транспорта лекарственных препаратов.
У даній роботі одержано нанопорошок Fe3O4, визначено його фазовий
склад, дисперсність частинок і магнетні характеристики. Виконано аналі-
зу здатности магнетиту Fe3O4 адсорбувати білкові компоненти культураль-
них середовищ, а також досліджено цитотоксичність наночастинок і хара-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2010, т. 8, № 4, сс. 787—798
© 2010 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
788 В. В. КИРОШКА, Н. В. РЕПИН, В. М. НАДУТОВ и др.
ктер їх взаємодії з культурою альвеолярних макрофагів (АМ) залежно від
концентрації та часу інкубації. Аналіза мікроструктури наночастинок у
середовищі, що містить 10% ембріональну телячу сироватку (ЕТС), пока-
зала, що наявність білкової компоненти в середовищі культивування приз-
водить до утворення навколо наночастинок тонкої оболонки. Встановлено,
що при інкубації АМ з наночастинками спостерігається їх внутрішньоклі-
тинна локалізація, густина якої визначається концентрацією наночасти-
нок і часом експозиції. Зниження життєздатности клітин до 75% при їх
взаємодії з досліджуваним наноматеріялом відзначено при використанні
максимальної концентрації Fe3O4 упродовж 24-х годин. Передбачається,
що адсорбція білкових молекуль культурального середовища на поверхні
наночастинок полегшує їх проникнення усередину клітин шляхом ендоци-
тозу, а також знижує реакційну здатність поверхні наночастинок, що й
проявляється в їх низькій цитотоксичності. Таким чином, висока ступінь
біоактивности і біосумісности наночастинок Fe3O4 при взаємодії з культу-
рою макрофагів дає право розглядати одержані нанопорошки з точки зору
їх застосування в біології та медицині для магнетокерованого транспорту
лікарських препаратів.
In a given work, Fe3O4 nanopowder was fabricated. Its phase composition, par-
ticle dispersity, and magnetic characteristics are determined. Ability of mag-
netite (Fe3O4) to adsorb protein components of culture media is analysed; nano-
particles cytotoxicity and character of their interaction with alveolar macro-
phage (AM) culture depending on concentration and incubation time are stud-
ied. The analysis of nanoparticles microstructure in a media containing 10% of
Fetal Bovine Serum (FBS) shows that presence of a protein component in cul-
tural medium leads to the formation of thin coat around nanoparticles. During
incubation of AM with nanoparticles, their intercellular localization is ob-
served; its density is determined by both the concentration of nanoparticles
and the exposure time. Cells viability reduction down to 75% during their in-
teraction with the studied nanomaterial is revealed, when the maximum con-
centration of Fe3O4 for 24 hrs. is used. It is supposed that adsorption of protein
molecules of culture medium on the surface of nanoparticles facilitates their
penetration inside the cells by endocytosis and reduces the reaction ability of
the nanoparticles surface that results in their low cytotoxicity. Thus, a high
rate of bioactivity and compatibility of Fe3O4 nanoparticles during interaction
with the culture of macrophages suggests an application of the obtained na-
nopowders in biology and medicine for magnetically controlled transport of
drugs.
Ключевые слова: наночастицы, альвеолярные макрофаги, биосовмести-
мость, цитотоксичность.
(Получено 19 октября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время показана принципиальная возможность примене-
ния наночастиц в области биологии и медицины для клинической ди-
СИНТЕЗ, АКТИВНОСТЬ И ЦИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ Fe3O4789
агностики, магнитной сепарации биологического материала, направ-
ленной доставки лекарственных препаратов, тканевой инженерии,
лечения онкологических заболеваний гипертермией, а также для ис-
следования структуры ДНК и изготовления биосенсоров [1, 2]. Ак-
тивный интерес к наноматериалам обусловлен тем, что при переходе в
наноразмерное состояние происходит изменение ряда фундаменталь-
ных свойств вещества. Основным фактором, определяющим уникаль-
ные физико-химические характеристики наноразмерных объектов,
является высокое отношение площади их поверхности к объёму, что
обеспечивает её высокую реакционную способность [2, 3, 4].
Биосовместимость, токсичность и способность проникать в клетку
– это основные критерии, которые будут определять эффективность
применения наночастиц в биологических и медицинских целях.
Предполагается, что наноструктурные материалы могут прояв-
лять токсичность при взаимодействии с биологическими материала-
ми, обусловленную несколькими факторами: большой реакционной
способностью, собственной токсичностью материала и неспецифич-
ностью взаимодействия с биологическими объектами, определяемой
их формой, размерами и структурой [5, 6, 7, 8]. Значительное вни-
мание в литературе уделяется механизму проникновения наноча-
стиц в клетку путём фагоцитоза либо другим неспецифическим спо-
собом [9, 10, 11, 12, 13].
Одними из широко изучаемых и применяемых в настоящее вре-
мя наноматериалов являются нанопорошки на основе Fe3O4, обла-
дающие низкой токсичностью и стабильностью магнитных харак-
теристик. Однако данных о механизме проникновения наночастиц
Fe3O4 в ткани, органы и опухоли, а также о степени их токсичности
недостаточно, что во многом определяет границы их применения.
Таким образом, актуальными являются синтез, а также изучение
биоактивности и биосовместимости нанопорошков на основе Fe3O4,
их распределения и локализации на поверхности и во внутреннем
объёме клеток в зависимости от концентрации и времени инкуба-
ции с культурой клеток.
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Приготовление порошков. Нанопорошки получали термическим
восстановлением оксалата железа FeC2O4⋅2H2O по методике, описан-
ной в [14, 15]. Восстановление выполняли в углеродосодержащей
газовой среде при температуре 230°С. Фазовый состав продуктов
восстановления определяли при помощи рентгеновской дифракто-
метрии с использованием дифрактометра ДРОН-3.0 с кобальтовым
анодом. Размеры областей когерентного рассеяния определяли по
уширению наиболее интенсивных линий на дифрактограмме мето-
дом аппроксимаций в приближении Вильямсона—Холла [16].
790 В. В. КИРОШКА, Н. В. РЕПИН, В. М. НАДУТОВ и др.
Выделение и культивирование альвеолярных макрофагов. Аль-
веолярные макрофаги для экспериментальных исследований были
получены из лёгких морских свинок. Все манипуляции с живот-
ными выполняли в соответствии с положениями «Европейской
конвенции защиты позвоночных животных, которые используются
с экспериментальной и иной научной целью» (г. Страсбург, 1985) и
были одобрены Комитетом по биоэтике ИПКиК НАН Украины [17].
Эктомию трахеи лабораторных животных выполняли под эфир-
ным наркозом [18]. Выделенную трахею канюлировали. Брон-
хоальвеолярный лаваж (БАЛ) получали путём промывания лёгких
охлаждённой средой 199, содержащей в 100 мл среды 25 МЕ гепа-
рина и антибиотики (пенициллин 500 ед./мл и каномицин 500
ед./мл). Для чего в лёгкие через канюлю четыре раза вводили среду
(по 15 мл) и выдерживали 10 мин, конечный объём собранной жид-
кости составлял 24 мл. Собранный и охлаждённый на льду БАЛ
центрифугировали при 1000g 5 мин, после чего клетки ресуспенди-
ровали в среде 199 с 10% эмбриональной телячьей сывороткой
(ЭТС) и антибиотиками (пенициллин 250 ед./мл и каномицин 250
ед./мл). Концентрацию клеток доводили до 2 млн./мл и разливали
по 2 мл в чашки Петри диаметром 35 мм.
Макрофаги отделяли от других альвеолярных клеток способом
их осаждения на пластиковой поверхности чашек, при помещении
в термостат (37°С), заполненный 5% углекислым газом. Через 1 час
неприлипшие к пластику клетки смывали раствором Хенкса, а к
осевшим клеткам добавляли 2 мл среды 199 с 10% ЭТС и снова по-
мещали в термостат с 5% углекислым газом на 24 ч.
Приготовление суспензии нанопорошков. Нанопорошки на основе
Fe3O4 помещали в жидкую фазу (физиологический раствор, среда
199) и озвучивали с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-2
в течение 10 минут. Содержание дисперсной фазы нанопорошка в
суспензиях составляло 4 мг/мл.
Электронно-микроскопические исследования. Характер распреде-
ления наночастиц в средах различного состава анализировали ме-
тодом трансмиссионной электронной микроскопии. На сетки –
подложки, покрытые тонкой формваровой плёнкой, наносили кап-
лю озвученных (10 мин) ультразвуком наночастиц, взятых из осад-
ка и надосадочной жидкости. После высушивания образцы с нано-
частицами исследовались в электронном микроскопе ПЭМ-125К
при ускоряющем напряжении 75 кВ, снабжённом системой анализа
изображений САИ-01А (АО «SELMI», г. Сумы), включающей CCD
камеру DX-2 и пакет программ фирмы «КАРРА», Германия.
Определение содержания наночастиц в культуре клеток. В культуру
клеток добавляли наночастицы в конечной концентрации 1, 0,2 и
0,06 мг/мл. Время инкубации культуры АМ с наночастицами со-
ставляло 2 и 24 часа. После экспозиции клетки были отмыты средой
СИНТЕЗ, АКТИВНОСТЬ И ЦИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ Fe3O4791
199 от наночастиц, зафиксированы метанолом в течение 60 мин и
высушены на воздухе. Наличие наночастиц в клетках выполняли с
помощью специфического окрашивания железа в синий цвет бер-
линской лазурью [19]. Клетки были помещены на 15 минут в равные
количества 2% растворов железистосинеродистого калия (берлин-
ская лазурь) и 0,1 н HCl при температуре 50—56°С, затем промыты в
проточной воде 10 минут и докрашены 0,1% раствором эозина в те-
чение 5 минут при комнатной температуре.
Определение среднего объёма альвеолярных макрофагов. Анализ
взаимодействия наночастиц (100 нм Fe3O4) с культурой АМ выпол-
няли с помощью микроскопа Carl Zeiss Axio Observer Z1 при увели-
чениях объектива 20 и 40 крат. Величину объёма клеток оценивали с
помощью компьютерной программы AxioVision Documentation.
Определение цитотоксичности наноматериала (МТТ-тест). МТТ-тест
основан на способности митохондриальных дегидрогеназ живых кле-
ток конвертировать водорастворимый 3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-
2,5-дифенил-2Н-тетразолиум бромид (МТТ) в формазан, который
кристаллизуется внутри жизнеспособной клетки. В каждую чашку
Петри с клеточной культурой АМ добавляли по 500 мкл раствора
МТТ (5 г/л) и инкубировали 4 ч при 37оС в присутствии 5% СО2. Обра-
зовавшиеся кристаллы формазана растворяли с помощью диметил-
сульфоксида (ДМСО) для чего по окончании инкубации супернатант
осторожно удаляли, а в каждую чашку добавляли по 600 мкл ДМСО.
Осадок ресуспендировали и 15 мин инкубировали в темноте при ком-
натной температуре. Показания оптической плотности измеряли при
длине волны 540 нм на фотоколориметре КФК-2-УХЛ-4.2. Результа-
ты эксперимента выражали в % к контролю. Выживаемость клеток
(SC) рассчитывалась по формуле: SC = (ODa/ODk)⋅100%, где ODa – оп-
тическая плотность клеток, инкубированных с наночастицами; ODk
– средняя оптическая плотность контрольных клеток, инкубиро-
ванных без наночастиц. Интенсивность окраски пропорциональна
количеству жизнеспособных клеток в суспензии.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как видно из дифрактограммы, приведённой на рис. 1, нанопоро-
шок содержит две кристаллические фазы: α-Fe в количестве ∼ 5% и
Fe3O4 в количестве ∼ 95%. Размеры областей когерентного рассея-
ния, определённые по уширению рентгеновских дифракционных
линий и характеризующие дисперсность частиц порошка, находят-
ся в интервале 50—200 нм.
Анализ полевых зависимостей удельной намагниченности нано-
порошка выполняли в интервале полей 0—800 кА/м (0—10 кЭ), одна
из которых представлена на рис. 2. Получены следующие значения
магнитных характеристик: удельной намагниченности насыщения
792 В. В. КИРОШКА, Н. В. РЕПИН, В. М. НАДУТОВ и др.
σs = 77 A⋅м2/кг, коэрцитивной силы Hc = 1,6 кА/м, остаточной ин-
дукции Br = 0,125 Тл.
Электронно-микроскопические исследования наночастиц Fe3O4 в
жидкой фазе после ультразвукового диспергирования показали (рис.
3), что в анализируемом материале наночастицы организованы в не-
однородные агрегаты, размером от 250 до 1000 нм, состоящие из от-
дельных частиц.
Как видно из рис. 3, наночастицы Fe3O4 плотно контактируют
между собой и имеют форму, близкую к сферической. В представ-
ленном образце можно выделить три популяции наночастиц, сред-
ний диаметр которых составлял 20—30 нм, 50—70 нм и 90—110 нм со-
Рис. 1. Дифрактограмма нанопорошка магнетита.
Рис. 2. Полевая зависимость удельной намагниченности нанопорошка
магнетита, измеренной в интервале полей 0—800 кА/м (0—10 кЭ).
СИНТЕЗ, А
ответств
Указа
и достат
ния удел
ции, а т
ствуют о
ваны в б
лекарств
Для и
объектам
Рис. 3. Х
родные аг
наночасти
ны крупн
Рис. 4. С
ЭТС. Хар
нентами
вокруг на
АКТИВНОСТ
енно (рис.
анные знач
точно низк
льной нам
также анал
о том, что
биологии и
венных пре
исследовани
ми мы исп
Характер орг
грегаты пос
иц Fe3O4 в р
ные (90—110
а
Структура н
рактер взаи
культурал
аночастиц.
ТЬ И ЦИТОТО
3).
чения разм
ие значени
магниченно
лиз микро
полученны
и медицине
епаратов [1
ия взаимод
пользовали
а
ганизации н
ле ультразв
различных а
нм), светлы
а
наночастиц
имодействи
ьных сред
ОКСИЧНОСТ
меров обла
ия коэрцит
ости насы
оструктуры
ые нанопо
е для магн
13, 20, 21]
действия н
и культуру
наночастиц
вукового дис
агрегатах. Т
ыми (б) части
магнитной
ия наночаст
(а, б). Ст
ТЬ ПОРОШКО
стей когер
тивной сил
ыщения и
ы в жидко
рошки мо
нитоуправл
.
наночастиц
у альвеоля
б
ц магнитной
спергирован
Темными стр
ицы размер
б
й жидкости
тиц Fe3O4 с
релками об
ОВ НА ОСНОВ
рентного ра
лы, высоки
остаточной
ой фазе св
гут быть и
ляемого тра
ц с биологи
ярных мак
й жидкости
ния. Микрос
релками (а)
ом менее 50
в присутст
с белковым
бозначены
ВЕ Fe3O4793
ассеяния
ие значе-
й индук-
видетель-
использо-
анспорта
ическими
крофагов.
в неодно-
структура
) обозначе-
0 нм.
твии 10%
ми компо-
оболочки
794 В. В. КИРОШКА, Н. В. РЕПИН, В. М. НАДУТОВ и др.
Учитывая, что процесс культивирования предполагает наличие в сре-
де инкубации 10% эмбриональной телячьей сыворотки (ЭТС) и, сле-
довательно, содержание белков различной молекулярной массы будет
достаточно велико и сравнимо с их концентрацией в плазме крови, мы
выполнили анализ микроструктуры наночастиц в среде 199 с содер-
жанием 10% ЭТС. Показано, что наличие белкового компонента в
культуральной среде приводило к образованию вокруг наночастиц
тонкой, 4—5 нм, оболочки (рис. 4, стрелки), что, по всей видимости,
определялось адсорбцией белков на поверхности наночастиц.
Согласно данным литературы [12, 22] адсорбция белков на по-
верхности наночастиц определяется, с одной стороны, электростати-
ческими взаимодействиями заряженных групп белковых молекул. С
другой стороны, гидрофобная часть белка имеет высокую степень
сродства к поверхности наночастиц, что и определяет взаимодей-
ствие наноматериала с белковыми компонентами культуральных
сред в течение секунд.
Изучение механизма взаимодействия наночастиц с клетками яв-
ляется одним из центральных вопросов для применения нанотех-
нологий в биологии и медицине. Наличие наночастиц в клетках
было определено с помощью специфического окрашивания частиц
железа в синий цвет железистосинеродистым калием (берлинская
лазурь) [19]. На рисунке 5 представлены данные взаимодействия
ферромагнитных наночастиц с клетками культуры альвеолярных
макрофагов в зависимости от времени их инкубации с частицами (2
и 24 часа) и конечной концентрации (0,06, 0,2 и 1,0 мг/мл).
Так, при использовании 1,0 мг/мл Fe3O4 мы наблюдали высокую
плотность взаимодействия наночастиц с альвеолярными макро-
фагами как в течение 2-х, так и 24-х часов инкубации. При сниже-
нии концентрации наночастиц до 0,2 мг/мл интенсивность окраски
АМ железистосинеродистым калием оставалась практически такая
же, как и при концентрации 1,0 мг/мл. Снижение концентрации
наночастиц до 0,06 мг/мл приводило к возрастанию количества
клеток, несодержащих Fe3O4. Следует отметить, что визуально мы
не наблюдали зависимости в интенсивности окрашивания желези-
стосинеродистым калием от времени экспозиции. Однако при ана-
лизе среднего объёма АМ выявлен факт его незначительного (до 10—
15%) увеличения (табл.) при 24-хчасовой инкубации для всего диа-
пазона концентраций, что, по всей видимости, свидетельствует о
проникновении их внутрь клеток.
В современной литературе обсуждается механизм проникнове-
ния наночастиц в клетки с помощью эндоцитоза [23], однако пря-
мых доказательств этого процесса не существует. Известно, что
культура АМ обладает способностью поглощать структуры эндо-
генного происхождения различными типами эндоцитоза [7, 24].
Можно предположить следующий механизм проникновения нано-
СИНТЕЗ, А
частиц в
адсорбир
к локаль
проникн
Одним
их цитот
собности
и времен
ции АМ
ности кл
гда как
снижени
ТАБЛИЦ
частицам
Время
куль
с нано
2
2
Рис. 5. Ку
стицами.
АМ без до
ночастиц
АКТИВНОСТ
в клетку:
руются на
ьному впя
новению вн
м из основн
токсичност
и культуры
ни инкуба
с наночаст
леток оста
увеличени
ию данного
ЦА. Объём (
ми и конечн
инкубации
ьтуры АМ
очастицами
2 часа
4 часа
а
в
ультура кле
Окрашива
обавления н
цами концен
ТЬ И ЦИТОТО
покрытые
поверхнос
чиванию м
нутрь клетк
ных крите
ть. На рису
ы АМ (ММТ
ции с част
тицами в т
вался дост
ие времени
о показате
(мкм3) АМ в
ной концент
и
0,0
120±
130±
еток АМ по
ание желези
наночастиц
нтрацией 0,
ОКСИЧНОСТ
белковым
сти клеточ
мембраны,
ки (рис. 6)
ериев прим
унке 7 пре
Т-тест) в з
тицами Fe
течение 2-х
таточно вы
и инкубаци
еля до 75%
в зависимо
трации.
Концентрац
06
±25
±42
сле 24-хчас
истосинерод
ц, б—г – кул
06, 0,2 и 1м
ТЬ ПОРОШКО
ми молекул
чной мембр
, образован
.
менения на
дставлены
ависимост
3O4. Видно
х часов уро
ысоким (ок
ии до 24-х
% при исп
сти от врем
ция наноча
0,2
122±51
145±44
б
г
сового взаим
дистым кал
льтура АМ п
мг/мл соотв
ОВ НА ОСНОВ
лами нано
раны, что п
нию эндосо
аночастиц я
ы данные ж
и от конце
о, что при
овень жизн
коло 95—10
часов при
ользовани
мени их инк
астиц, мг/м
13
15
б
г
модействия
лием. а –
при экспози
ветственно.
ВЕ Fe3O4795
очастицы
приводит
омы и её
является
жизнеспо-
ентрации
экспози-
неспособ-
00%), то-
иводило к
ии макси-
кубации с
мл
1
31±49
53±46
я с наноча-
культура
иции с на-
796
мальной
но данны
концент
лиальны
20% их ж
Таким
Рис. 6.
Впячиван
и образов
Рис. 7. Ж
ни экспоз
В. В. КИР
й концентр
ым литера
рации 0,0
ых клеток
жизнеспос
м образом,
Возможный
ние мембра
вание эндос
Жизнеспособ
зиции (2 и
Æ
è
çí
åñ
ï
îñ
îá
í
îñ
òü
,
%
(Ì
Ì
Ò
-ò
åñ
ò)
РОШКА, Н. В
рации нано
атуры [11,
2 мг/мл пр
в течение
собности.
данные н
й механизм
аны (М) с а
сом (Э).
бность клет
24 часа) и
В. РЕПИН, В
очастиц (1
13] наноч
ри взаимо
24-х часо
наших исс
м проникн
адсорбирова
ток культур
концентрац
C, ìã/ì
В. М. НАДУТ
мг/мл 100
частицы н
действии с
в приводя
следований
новения на
анными на
ры АМ в за
ции Fe3O4.
ìë
ТОВ и др.
0 нм Fe3O4)
а основе N
с культуро
т к сохран
й, выполне
ночастиц в
ней частиц
ависимости
). Соглас-
Ni и Co в
ой эпите-
нению до
енные на
в клетку.
цами (Нч)
от време-
СИНТЕЗ, АКТИВНОСТЬ И ЦИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ Fe3O4797
клетках культуры альвеолярных макрофагов, свидетельствуют о
слабой зависимости цитотоксического действия наночастиц желе-
за от их концентрации и времени экспозиции.
Следует отметить, что адсорбция белковых молекул культураль-
ной среды на поверхности наночастиц, по всей видимости, облегча-
ет их проникновение в клетки путём эндоцитоза, а также снижает
реакционную способность поверхности наночастиц, что проявляет-
ся в их низкой цитотоксичности. Следовательно, высокая степень
биоактивности и биосовместимости наночастиц Fe3O4 при взаимо-
действии с культурой макрофагов даёт право рассматривать дан-
ный наноматериал с точки зрения применения в качестве контей-
неров по доставке лекарственных препаратов.
4. ВЫВОДЫ
Исследованный порошок содержит ∼ 5% α-Fe и ∼ 95% Fe3O4 с дис-
персностью частиц порядка 50—200 нм и уровнем магнитных харак-
теристик, приемлемым для использования в биологии и медицине.
В культуральной среде наночастицы Fe3O4 организованы в неод-
нородные, размером от 250 до 1000 нм, агрегаты, содержащие три
группы частиц, средний диаметр которых составлял 20—30, 50—70 и
90—110 нм соответственно. Введение в среду 10% эмбриональной
телячьей сыворотки, приводило к образованию вокруг частиц тон-
кой (в 4—5 нм) оболочки.
Степень взаимодействия наночастиц с культурой клеток определя-
лась их концентрацией и временем инкубации. Оптимальной концен-
трацией для насыщения клеток явилась 0,2 мг/мл Fe3O4 при времени
экспозиции 24 часа. Для всех концентраций наночастиц при 24-х ча-
совой инкубации наблюдалось 10—15% увеличение объёма клеток.
Наночастицы на основе Fe3O4 проявили низкую цитотоксич-
ность; при использовании максимальной (1 мг/мл) концентрации
наночастиц жизнеспособность АМ составляла 95—100% и 75%
для 2-х- и 24-хчасовой экспозиции соответственно.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. Г. Першина, А. Э. Сазонов, И. В. Мильто, Бюллетень сибирской медици-
ны, № 2: 70 (2008).
2. F. Watari, N. Takashi, A. Yokoyama, M. Uo et al., J. R. Soc. Interface, 6: 371
(2009).
3. И. П. Суздалев, Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, нано-
структур и наноматериалов (Москва: КомКнига: 2006).
4. I. Rabiasa, H. Pratsinis, and G. Drossopoulou, Biomicrofluidics, 1: 1 (2007).
5. K. Donaldson, L. Tran, L. A. Jimenez et al., Particle and Fibre Toxicology, 2:
10 (2005).
798 В. В. КИРОШКА, Н. В. РЕПИН, В. М. НАДУТОВ и др.
6. A. V. Kabanov, NIH Public Access Adv. Drug Deliv. Rev., 58, No. 15: 1597 (2006).
7. C. Uboldi, D. Bonacchi, G. Lorenzi et al., Particle and Fibre Toxicology, 6: 18
(2009).
8. L. Wang, D. K. Nagesha, S. Selvarasah et al., J. of Nanobiotechnology, 5: 61
(2008).
9. P. L. Apopa, Y. Qian, R. Shao et al., Particle and Fibre Toxicology, 6, No. 1: 1
(2009).
10. P. J. A. Borm, D. Robbins, S. Haubold et al., Particle and Fibre Toxicology, 3:
11 (2006).
11. B. L’Azou, J. Jorly, D. On et al., Particle and Fibre Toxicology, 5: 22 (2008).
12. A. Verma, O. Uzun, Yu. Irvine et al., NIH Public Access Nat. Mater., 7, No. 7:
588 (2008).
13. J. Zhao, L. Bowman, X. Zhang et al., J. of Nanobiotechnology, 10, No. 1: 7 (2009).
14. А. П. Шпак, Ю. А. Куницкий, В. Л. Карбовский, Кластерные и нано-
структурные материалы (Киев: Академпериодика: 2001), т. 1.
15. Н. Ф. Кущевская, Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології, 3: 811
(2005).
16. И. В. Иверонова, Г. П. Ревкевич, Теория рассеяния рентгеновских лучей
(Москва: Изд-во МГУ: 1972).
17. Protocol of Amendment to the European Convention for the Protection of Verte-
brate Animals used for the Experimentation and Other Scientific Purposes. Eu-
ropean Treaty Series. No. 170 (Strasbourg: 1998).
18. B. Guo, R. Zebda, S. J. Drake, and C. M. Sayes, Particle and Fibre Toxicology,
6: 4 (2009).
19. Ar. Beduneau, Ma Zhiya, C. Grotepas, Al. Kabanov, E. Rabinow, N. Gong, R.
Mosley, H. Dou, M. Boska, and H. Gendelman, Nanoparticles and Monocytes
PLoS ONE, 4, No. 2: 1 (2009).
20. S. Lanone, F. Rogerieux, J. Geys et al., Particle and Fibre Toxicology, 6: 14
(2009).
21. C. W. Schmidt, Environmental Health Perspectives, 117, No. 4: 158 (2009).
22. M. S. Ehrenberg, A. E. Friedman, J. N. Finkelstein, G. Oberdörster, J. L.
McGrath, Biomaterials, 30, No. 4: 603 (2009).
23. H. Jin, D. A. Heller, R. Sharma, and M. S. Strano, ACS Nano, 3: 149 (2009).
24. L. C. Renwick, D. Brown, A. Clouter, and K. Donaldson, Occup. Environ. Med.,
61: 442 (2004).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-73145 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:01:54Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кирошка, В.В. Репин, Н.В. Надутов, В.М. Перекос, А.Е. Войнаш, В.З. Тищенко, Ю.О. Бондаренко, Т.П. 2015-01-05T15:20:00Z 2015-01-05T15:20:00Z 2010 Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ / В.В. Кирошка, Н.В. Репин, В.М. Надутов, А.Е. Перекос, В.З. Войнаш, Ю.О. Тищенко, Т.П. Бондаренко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 4. — С. 787-798. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.05.cp, 61.43.Gt, 75.50.Tt, 75.60.Ej, 81.07.Wx, 87.50.wf, 87.85.jj https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73145 В данной работе получен нанопорошок Fe₃O₄, определены его фазовый состав, дисперсность частиц и магнитные характеристики. Выполнен анализ способности магнетита Fe₃O₄ адсорбировать белковые компоненты культуральных сред, а также исследованы цитотоксичность наночастиц и характер их взаимодействия с культурой альвеолярных макрофагов (АМ) в зависимости от концентрации и времени инкубации. Анализ микроструктуры наночастиц в среде, содержащей 10% эмбриональную телячью сыворотку (ЭТС), показал, что наличие белкового компонента в среде культивирования приводит к образованию вокруг наночастиц тонкой оболочки. Установлено, что при инкубации АМ с наночастицами наблюдается их внутриклеточная локализация, плотность которой определяется концентрацией наночастиц и временем экспозиции. Снижение жизнеспособности клеток до 75% при их взаимодействии с исследуемым наноматериалом отмечено
 при использовании максимальной концентрации Fe₃O₄ в течение 24-х часов. Предполагается, что адсорбция белковых молекул культуральной среды на поверхности наночастиц облегчает их проникновение внутрь клеток путём эндоцитоза, а также снижает реакционную способность поверхности наночастиц, что и проявляется в их низкой цитотоксичности. Высокая степень биоактивности и биосовместимости наночастиц Fe₃O₄ при взаимодействии с культурой макрофагов даёт право рассматривать полученные нанопорошки с точки зрения их применения в биологии и медицине для магнитоуправляемого транспорта лекарственных препаратов. У даній роботі одержано нанопорошок Fe₃O₄, визначено його фазовий склад, дисперсність частинок і магнетні характеристики. Виконано аналізу здатности магнетиту Fe₃O₄ адсорбувати білкові компоненти культуральних середовищ, а також досліджено цитотоксичність наночастинок і характер їх взаємодії з культурою альвеолярних макрофагів (АМ) залежно від концентрації та часу інкубації. Аналіза мікроструктури наночастинок у середовищі, що містить 10% ембріональну телячу сироватку (ЕТС), показала, що наявність білкової компоненти в середовищі культивування призводить до утворення навколо наночастинок тонкої оболонки. Встановлено, що при інкубації АМ з наночастинками спостерігається їх внутрішньоклітинна локалізація, густина якої визначається концентрацією наночастинок і часом експозиції. Зниження життєздатности клітин до 75% при їх
 взаємодії з досліджуваним наноматеріялом відзначено при використанні максимальної концентрації Fe₃O₄ упродовж 24-х годин. Передбачається, що адсорбція білкових молекуль культурального середовища на поверхні наночастинок полегшує їх проникнення усередину клітин шляхом ендоцитозу, а також знижує реакційну здатність поверхні наночастинок, що й проявляється в їх низькій цитотоксичності. Таким чином, висока ступінь біоактивности і біосумісности наночастинок Fe₃O₄ при взаємодії з культурою макрофагів дає право розглядати одержані нанопорошки з точки зору їх застосування в біології та медицині для магнетокерованого транспорту лікарських препаратів. In a given work, Fe₃O₄ nanopowder was fabricated. Its phase composition, particle dispersity, and magnetic characteristics are determined. Ability of magnetite (Fe₃O₄) to adsorb protein components of culture media is analysed; nanoparticles cytotoxicity and character of their interaction with alveolar macrophage (AM) culture depending on concentration and incubation time are studied. The analysis of nanoparticles microstructure in a media containing 10% of Fetal Bovine Serum (FBS) shows that presence of a protein component in cultural medium leads to the formation of thin coat around nanoparticles. During incubation of AM with nanoparticles, their intercellular localization is observed; its density is determined by both the concentration of nanoparticles and the exposure time. Cells viability reduction down to 75% during their interaction with the studied nanomaterial is revealed, when the maximum concentration
 of Fe₃O₄ for 24 hrs. is used. It is supposed that adsorption of protein molecules of culture medium on the surface of nanoparticles facilitates their penetration inside the cells by endocytosis and reduces the reaction ability of the nanoparticles surface that results in their low cytotoxicity. Thus, a high rate of bioactivity and compatibility of Fe₃O₄ nanoparticles during interaction with the culture of macrophages suggests an application of the obtained nanopowders in biology and medicine for magnetically controlled transport of drugs. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ Article published earlier |
| spellingShingle | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ Кирошка, В.В. Репин, Н.В. Надутов, В.М. Перекос, А.Е. Войнаш, В.З. Тищенко, Ю.О. Бондаренко, Т.П. |
| title | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ |
| title_full | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ |
| title_fullStr | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ |
| title_full_unstemmed | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ |
| title_short | Синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе Fe₃O₄ |
| title_sort | синтез, биологическая активность и цитотоксичность нанопорошков на основе fe₃o₄ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73145 |
| work_keys_str_mv | AT kiroškavv sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT repinnv sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT nadutovvm sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT perekosae sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT voinašvz sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT tiŝenkoûo sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 AT bondarenkotp sintezbiologičeskaâaktivnostʹicitotoksičnostʹnanoporoškovnaosnovefe3o4 |