Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro
Изучено in vitro влияние ферримагнитных наночастиц в дозе 10 предельно допустимых концентраций (3 мг/л) на колониеобразующую способность костномозговых прекурсоров гранулоцитопоэза и моноцитопоэза в
 постоянном магнитном поле с напряженностью 200 Э. Исследовались порошки, полученные методами...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2008 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76233 |
| 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: | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц
 на пул стволовых кроветворных клеток in vitro / И.А. Хлусов, В.С. Седой, Е.П. Найден // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1247-1259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860243349420638208 |
|---|---|
| author | Хлусов, И.А. Седой, В.С. Найден, Е.П. |
| author_facet | Хлусов, И.А. Седой, В.С. Найден, Е.П. |
| citation_txt | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц
 на пул стволовых кроветворных клеток in vitro / И.А. Хлусов, В.С. Седой, Е.П. Найден // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1247-1259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Изучено in vitro влияние ферримагнитных наночастиц в дозе 10 предельно допустимых концентраций (3 мг/л) на колониеобразующую способность костномозговых прекурсоров гранулоцитопоэза и моноцитопоэза в
постоянном магнитном поле с напряженностью 200 Э. Исследовались порошки, полученные методами электрического взрыва проводников (медь,
магнетит Fe3O4, смесь гематита α-Fe2O3 с магнетитом) или механохимического синтеза (кобальтовый феррит CoFe2O4). Электронная микроскопия
показала средний диаметр частиц в диапазоне 6—65 нанометров. Выявлена специфическая активность нанопорошков в отношении функциональных свойств кроветворных и стромальных клеток, не связанная с их растворением и, тем не менее, имеющая сложную природу. Она зависит от
размеров и магнитных характеристик частиц самих порошков, режима и
дозы их введения, наличия внешнего магнитного поля. Кроме того, в
многоклеточных системах нельзя исключить реакцию коммитированных
клеток-предшественников гемопоэза, опосредованную через клетки (факторы) микроокружения, состояние которых у различных индивидуумов и
в различных условиях жизнедеятельности весьма изменчиво. Полученные данные открывают новые возможности для создания и целенаправленного использования различных наноразмерных материалов и технологий для индивидуальной терапии.
Вивчено in vitro вплив феримагнетних наночастинок у дозі 10 гранично
припустимих концентрацій (3 мг/л) на колонієутворювальну здатність кістковомозкових прекурсорів ґранульоцитопоезу та моноцитопоезу в сталому магнетному полі з напруженістю 200 Е. Досліджувалися порошки, одержані методами електричного вибуху провідників (мідь, магнетит Fe3O4,
суміш гематиту α-Fe3O3 з магнетитом) або механохемічної синтези (кобальтовий ферит CoFe2O4). Електронна мікроскопія показала середній діяметерчастинок у діяпазоні 6—65 нанометрів. Виявлено специфічну активність
нанопорошків щодо функціональних властивостей кровотворних і стромальних клітин, яка не пов’язана з їхнім розчиненням і має складну природу.
Вона залежить від розмірів і магнетних характеристик частинок самих порошків, режиму й дози їх уведення, наявности зовнішнього магнетного поля. Крім того, у багатоклітинних системах не можна виключити реакцію
комитованих кліток-попередників гемопоезу, опосередковану через клітини (фактори) мікрооточення, стан яких у різних індивідуумів і в різних
умовах життєдіяльности є надто мінливим. Одержані дані відкривають нові можливості для створення й цілеспрямованого використання різних нанорозмірних матеріялів і технологій для індивідуальної терапії.
Effect of ferrimagnetic nanoparticles in the dose of 10 maximum permissible
concentrations (3 mg/l) on colony-forming ability of bone-marrow granulocytopoiesis
and monocytopoiesis precursors in constant magnetic field with magnetic
intensity of 200 Oe is studied in vitro. Powders obtained with method of
electric explosion of conductors (Fe3O4 magnetite and mixture of α-Fe2O3
hematite with magnetite) or mechanochemical synthesis (CoFe2O4 cobalt ferrite)
are investigated. Electron microscopy showed mean diameter of particles
in the range of 6—65 nanometres. Specific activity of nanopowders in respect of
functional properties of hemopoietic and stromal cells, which is not connected
with their dissolution, but having complex nature, is revealed. It depends on
dimensions and magnetic characteristics of powders themselves, conditions
and doses of their introduction, presence of external magnetic field. Besides,
in multicell systems, one cannot exclude the reaction of committed progenitors
of hemopoiesis, mediated through cells (factors) of microenvironment, the
state of which is rather variable with different individuals and different vital
activities. Data obtained open new possibilities to design and purposely use
various nanosize materials and technologies for individual therapy.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:32:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
1247
PACS numbers: 83.80.Gv, 87.16.-b, 87.17.-d, 87.18.-h, 87.19.um, 87.50.C-, 87.85.jj
Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц
на пул стволовых кроветворных клеток in vitro
И. А. Хлусов, В. С. Седой*, Е. П. Найден**
ООО «СибМедАналит»,
Томск, Россия
*Институт сильноточной электроники СО РАН,
Томск, Россия
**Томский государственный университет,
Томск, Россия
Изучено in vitro влияние ферримагнитных наночастиц в дозе 10 предель-
но допустимых концентраций (3 мг/л) на колониеобразующую способ-
ность костномозговых прекурсоров гранулоцитопоэза и моноцитопоэза в
постоянном магнитном поле с напряженностью 200 Э. Исследовались по-
рошки, полученные методами электрического взрыва проводников (медь,
магнетит Fe3O4, смесь гематита α-Fe2O3 с магнетитом) или механохимиче-
ского синтеза (кобальтовый феррит CoFe2O4). Электронная микроскопия
показала средний диаметр частиц в диапазоне 6—65 нанометров. Выявле-
на специфическая активность нанопорошков в отношении функциональ-
ных свойств кроветворных и стромальных клеток, не связанная с их рас-
творением и, тем не менее, имеющая сложную природу. Она зависит от
размеров и магнитных характеристик частиц самих порошков, режима и
дозы их введения, наличия внешнего магнитного поля. Кроме того, в
многоклеточных системах нельзя исключить реакцию коммитированных
клеток-предшественников гемопоэза, опосредованную через клетки (фак-
торы) микроокружения, состояние которых у различных индивидуумов и
в различных условиях жизнедеятельности весьма изменчиво. Получен-
ные данные открывают новые возможности для создания и целенаправ-
ленного использования различных наноразмерных материалов и техно-
логий для индивидуальной терапии.
Вивчено in vitro вплив феримагнетних наночастинок у дозі 10 гранично
припустимих концентрацій (3 мг/л) на колонієутворювальну здатність кіс-
тковомозкових прекурсорів ґранульоцитопоезу та моноцитопоезу в стало-
му магнетному полі з напруженістю 200 Е. Досліджувалися порошки, оде-
ржані методами електричного вибуху провідників (мідь, магнетит Fe3O4,
суміш гематиту α-Fe3O3 з магнетитом) або механохемічної синтези (кобаль-
товий ферит CoFe2O4). Електронна мікроскопія показала середній діяметер
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 4, сс. 1247—1259
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
1248 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
частинок у діяпазоні 6—65 нанометрів. Виявлено специфічну активність
нанопорошків щодо функціональних властивостей кровотворних і строма-
льних клітин, яка не пов’язана з їхнім розчиненням і має складну природу.
Вона залежить від розмірів і магнетних характеристик частинок самих по-
рошків, режиму й дози їх уведення, наявности зовнішнього магнетного по-
ля. Крім того, у багатоклітинних системах не можна виключити реакцію
комитованих кліток-попередників гемопоезу, опосередковану через кліти-
ни (фактори) мікрооточення, стан яких у різних індивідуумів і в різних
умовах життєдіяльности є надто мінливим. Одержані дані відкривають но-
ві можливості для створення й цілеспрямованого використання різних на-
норозмірних матеріялів і технологій для індивідуальної терапії.
Effect of ferrimagnetic nanoparticles in the dose of 10 maximum permissible
concentrations (3 mg/l) on colony-forming ability of bone-marrow granulocy-
topoiesis and monocytopoiesis precursors in constant magnetic field with mag-
netic intensity of 200 Oe is studied in vitro. Powders obtained with method of
electric explosion of conductors (Fe3O4 magnetite and mixture of α-Fe2O3
hematite with magnetite) or mechanochemical synthesis (CoFe2O4 cobalt fer-
rite) are investigated. Electron microscopy showed mean diameter of particles
in the range of 6—65 nanometres. Specific activity of nanopowders in respect of
functional properties of hemopoietic and stromal cells, which is not connected
with their dissolution, but having complex nature, is revealed. It depends on
dimensions and magnetic characteristics of powders themselves, conditions
and doses of their introduction, presence of external magnetic field. Besides,
in multicell systems, one cannot exclude the reaction of committed progenitors
of hemopoiesis, mediated through cells (factors) of microenvironment, the
state of which is rather variable with different individuals and different vital
activities. Data obtained open new possibilities to design and purposely use
various nanosize materials and technologies for individual therapy.
Ключевые слова: костный мозг мыши, наночастицы, гранулоцитарные и
моноцитарные прекурсоры, фибробласты, магниточувствительные окси-
ды железа.
(Получено 22 ноября 2007 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Применение магнитных наночастиц имеет перспективы в биологии
и медицине по следующим основным направлениям: 1) адресная
доставка, удержание лекарств в организме и управление их высво-
бождением; 2) в экспериментальной цитологии и гистологии для
избирательной сорбции на клетках с целью их стимуляции, разру-
шения или удаления; 3) гипертермия опухолей и патологических
очагов; 4) в качестве биологически активных веществ нового класса
(магнитная фармакология) [1]. Активный поиск биосовместимых
наноматериалов для конструирования систем целевой доставки ле-
карств и биологических молекул сосредоточен на липосомах и
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1249
твердотельных частицах [2, 3]. Магнитные частицы должны быть
биоинертными, иметь размеры не более 1 мкм и требуемые магнит-
ные характеристики.
В то же время, накапливаются негативные сведения о молеку-
лярных и клеточных эффектах наноразмерных частиц. В частно-
сти, вещества в виде ультрадисперсных порошков могут быть по-
тенциально опасными и требуют осторожного применения [4]. В
связи с этим, разработка магнитных наночастиц для биологии и ме-
дицины до сих пор остается проблемой [1].
Мишенями наночастиц выступают система крови, центральная
нервная система, респираторный и желудочно-кишечный тракты.
Считается, что они способны избегать процессов фагоцитоза, цир-
кулировать в крови и лимфе, проникать через биологические барь-
еры, системно распределяться в различных органах и тканях [5].
Данная работа посвящена изучению in vitro влияния ферри-
магнитных наночастиц и их композитов на колониеобразующую
способность костномозговых прекурсоров гранулоцитопоэза и мо-
ноцитопоэза в постоянном магнитном поле.
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Как известно, ферримагнетики (ферриты) представляют собой слож-
ные оксиды железа, сочетающие свойства ферромагнетика и полу-
проводника или диэлектрика. Ферримагнитные порошки синтези-
ровали методом электрического взрыва проводников из железа (по-
лучали магнетит Fe3O4 и смесь гематита α-Fe2O3 с магнетитом) и из
меди, содержащей 0,2% железа, использовали также кобальтовый
феррит CoFe2O4, полученный методом механохимического синтеза.
Исследования морфологии, гранулометрии и дефектной субструк-
туры порошков осуществляли методами электронной дифракцион-
ной микроскопии на приборе ЭМ 125. Исследование фазового состава
и структурных параметров порошковых образцов проводилось на
дифрактометре Shimadzu XRD-6000 на CuKα-излучении. Анализ фа-
зового состава проведен с использованием базы структурных данных
PCPDFWIN, а так же программы полнопрофильного анализа рент-
генограмм POWDER CELL 2.4. Определение основных магнитных
характеристик: величин удельной намагниченности и полей маг-
нитной анизотропии порошков проведено на основе анализа кривых
намагничивания, полученных методом сингулярной точки в им-
пульсных магнитных полях.
Механохимически синтезированные порошки кобальтовой фер-
рошпинели CoFe2O4 представляют собой слабо связанные друг с
другом наноразмерные сферические частицы со средним диаметром
6—8 нм, объединенные в агрегаты размером 265±15 нм (рис. 1). В
соответствии с гистограммой распределения частиц по размерам,
1250 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
доля частиц с диаметром 4—8 нм составляет примерно 65%. Рентге-
ноструктурный и электронно-микроскопический анализы показа-
ли, что нанопорошки, кроме основного вещества в кристалличе-
ском состоянии, содержат 1—2 об.% гематита (α-Fe2O3) и незначи-
тельное количество рентгеноаморфной фазы.
Частицы магнетита Fe3O4, полученные методом электрического
взрыва, имеют сферическую, в отдельных случаях полиэдрическую
форму, с кристаллическим ядром и тонкой аморфной оболочкой
(рис. 2). 85% из них обладают средним диаметром 40±23 (в других
полях измерения 67±2) нм, остальные 75—113 нм. Согласно данным
рентгеноструктурного анализа, магнетит составляет 98—99 об.%, на
гематит и чистое железо α-модификации приходится 1—2 об.%.
Электровзрывной порошок (α-Fe2O3 + Fe3O4) состоял из 44 об.%
Рис. 1. Трансмиссионная электронная микроскопия порошка кобальтово-
го феррита. На вставке – микроэлектронограмма частиц порошка. Уве-
личение: ×200000.
а б в
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение частиц порошков
магнетита Fe3O4 (а) и Fe2O3 + Fe3O4 (б), микроэлектронограмма частиц по-
рошка (в) (1 – [220] F3O4, 2 – [113] F3O4, 3 – [440] F3O4, 4 – [462] F3O4, 5
– [113] F2O3, 6 – [116] F2O3, 7 – [220] F2O3). Увеличение: ×160000 (а) и
×100000 (б).
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1251
слабомагнитного гематита и 56 об.% магнетита, средний диаметр
частиц которых составил 28±9 нм (рис. 2).
Порошок меди является гетерофазной смесью: Cu – 83 об.%, 16
об.% oксида меди CuO, около 0,2 об.% железа и не более 1% рентге-
ноаморфной фазы. Данные рентгеноструктурного анализа о наличии
фазы металлического железа подтверждаются результатами изме-
рения магнитных свойств. Нанопорошок меди проявляет слабые
магнитные свойства. Измеренная величина удельной намагниченно-
сти составляет 0,35 Гс⋅см3/г, что соответствует содержанию около 0,3
об.% железа.
Магнитные характеристики наноразмерных порошков представ-
лены в табл. 1.
Для изучения санитарно-химических свойств наночастиц исполь-
зовали дозировку 0,3—3 мг/л, что составляет 1—10 предельно допус-
тимых концентраций (ПДК) по железу [6], которую в последующем
применяли в биологической части исследования. Нанопорошки маг-
нетита или кобальтового феррита (100 мг/л) согласно требованиям
ISO 10993-5 растворяли в стерильных условиях в течение 3,7, 8 и 20
суток при 37°С в изотоническом растворе хлорида натрия (0,9%
NaCl), оценивали изменения рН, концентрацию ионов Fe3+
в раство-
рах методом инверсионной вольтамперометрии [7]. Кроме того, была
изучена растворимость наноразмерного магнетита при 5-суточном
воздействии постоянного магнитного поля напряженностью 1,3 кЭ.
Культуральные исследования проводились с использованием
клеточного материала костного мозга, взятого от 10 мышей линии
СВА/CaLac. Животных умерщвляли эфирным наркозом, выделяли
костный мозг бедренных костей в концентрации 0,5⋅106
кариоци-
тов/мл и культивировали в течение 1 ч при 37°С в объеме клеточной
взвеси 5 мл с порошками наноферримагнитных оксидов железа
Fe3O4 или CoFe2O4 (3 мг/л культуры клеток, 10 ПДК). В контроль-
ные пробирки добавляли соответствующий объем (0,5 мл) раство-
рителя (0,9% NaCl). Использовалась культуральная среда следую-
щего состава: 280 мг/л L-глутамина (Sigma), 40 мг/л гентамицина
сульфат, 15% эмбриональной телячьей сыворотки (ЭТС, ICN), 85%
среды 199 (НПО «Вектор»).
ТАБЛИЦА 1. Основные магнитные характеристики ферримагнитных
нанопорошков при комнатной температуре, Х.
Параметр α-Fe2O3 + Fe3O4 CoFe2O4 Fe3O4 Cu
Удельный магнитный
момент, σ, Гс⋅см3/г
2,7 48 71 0,35
Остаточная намагничен-
ность (после снятия маг-
нитного поля), Гс⋅см3/г
0 0 10 0
1252 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
Часть (1,5 мл) клеточной суспензии, обработанной взвесью фер-
римагнитных наночастиц, использовали для выявления спонтан-
ной (без факторов роста) колониеобразующей способности костного
мозга при клонировании 0,75⋅106
жизнеспособных кариоцитов в
течение 7 дней в 35-мм пластиковых чашках Петри при 37°С, 5%
СО2 и 100% влажности в СО2-инкубаторе. Половину всех исследуе-
мых культур помещали на магнитный коврик с постоянной напря-
женностью поля 200 Э.
В оставшемся объеме определяли цитотоксичность исследуемых
образцов наночастиц в тесте на окрашиваемость 0,4% трипановым
синим до и через 24 часа после культивирования при 37°С.
В другой части экспериментов цельную фракцию интактных
миелокариоцитов в концентрации 1,5⋅105
жизнеспособных нуклеа-
ров разливали в 24-луночные планшеты Corning-Costar в 0,9 мл
культуральной среды, описанной выше. После прилипания клеток
доводили объем до 1 мл посредством добавления взвеси нанопорош-
ков α-Fe2O3 + Fe3O4, CoFe2O4 или Fe3O4 в конечной концентрации
3 мг/л культуры клеток. В контрольные пробирки добавляли соот-
ветствующий объем (0,1 мл) растворителя (0,9% NaCl). Клонирова-
ли клетки в течение 7 дней в СО2-инкубаторе при 37°С и 100%
влажности. Половину исследуемых культур помещали на магнит-
ный коврик с постоянной напряженностью поля 200 Э (0,02 Т).
Через 7 дней оценивали число колониеобразующих единиц (КОЕ)
– клонов родоначальной клетки. Гранулоцитарные прекурсоры
(КОЕ-Г) считали по колониям (клонам), состоящих из 50 и более
ядросодержащих элементов (рис. 6), моноцитарно-макрофагальные
(КОЕ-М) – из 30 и более нуклеаров, имеющих морфологию грану-
лоцитов или моноцитов при окраске азуром II-эозином.
Кроме того, изучали in vitro морфологическую реакцию фиброб-
ластов мыши NIH 3T3 на синтезированные наноразмерные оксиды
железа. Для этого нанопорошки в указанной дозе наносили на мо-
нослой клеток, либо клеточную суспензию (5⋅104/см2) наслаивали
на порошок, помещенный на дно культуральных чашек Петри.
Культивировали в течение 1—3 суток соответственно при 37°С, 5%
СО2 и 100% влажности в 90% среды 199, 10% ЭТС, 280 мг/л L-
глутамина, 40 мг/л гентамицина сульфат, 10−6
М дексаметазона [8].
Статистическую обработку результатов проводили согласно не-
параметрическому U-критерию Вилкоксона—Манна—Уитни (РU) и
ранговому коэффициенту корреляции Спирмена.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Согласно рентгеноструктурному анализу, в нанопорошке магнетита
присутствовала фаза железа, обладающего известным влиянием на
процессы костномозгового кроветворения. В связи с этим, была изу-
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1253
чена растворимость нанопорошков в модельной биологической жид-
кости. 7-суточные экстракты магнетита либо кобальтового феррита
незначительно изменяли концентрацию протонов водорода в раство-
рителе (контроль), рН которого составляло в среднем 6,94 единиц
(n = 4). В интервале дозы наночастиц 1—10 ПДК средние значения рН
варьировали в пределах 97,4—98,3% от контрольной величины
(n = 6). При этом статистически значимой зависимости растворимо-
сти наночастиц от их концентрации установлено не было.
По-видимому, наночастицы слабо взаимодействуют с гидро-
ксильными группами, способствуя накоплению в растворе прото-
нов. Тем не менее, их влияние на модельную биологическую жид-
кость укладывается в допустимые пределы для материалов, пред-
назначенных для медицины (±1,0 ед. рН).
Инверсионная вольтамперометрия показала наличие ионов Fe3+
в
3—20-суточных растворах наноразмерного магнетита в пределах
42—56 мкг/л при их концентрации в чистом растворителе менее 1
мкг/л. Подобное содержание не превышает 1,4—1,9% от теоретиче-
ски возможного выхода чистого железа из твердой фазы в раствор,
что не имеет существенного биологического значения при исполь-
зовании наночастиц в диапазоне концентраций 1—10 ПДК. При
этом в динамике растворения отмечалось некоторое снижение (со
скоростью 0,89 мкг/сут) уровня ионов железа в растворе (рис. 3).
В постоянном магнитном поле выход ионов Fe3+
из магнетита в
раствор также уменьшался. 5-суточное накопление вещества соста-
вило 26 мкг/л (n = 4) при ожидаемой концентрации 54 мкг/л соглас-
но уравнению регрессии на рис. 3.
Таким образом, санитарно-химические исследования показали,
что синтезированные ферримагнитные нанопорошки являются маг-
ниточувствительным, слаборастворимым материалом, перспектив-
ным для разработки наносистем доставки лекарственных и биологи-
ческих препаратов.
Изучение биологической инертности искусственных наноразмер-
ных материалов проведено с помощью 24-часового цитотоксическо-
го теста с трипановым синим. Выявлена 77% (Fe3O4)—80% (CoFe2O4)
выживаемость клеток костного мозга при 85% неокрашенных мие-
локарицоцитов в контроле. Полученные данные позволяют заклю-
чить, что наноразмерные частицы не вызывают грубых некротиче-
ских изменений клеточных цитоплазматических мембран.
Вместе с тем известно, что высокой чувствительностью к природе
тестируемого материала обладают методы определения функцио-
нальной активности клеток [9, 10].
Так, добавление ферримагнитных нанопорошков на уже сфор-
мированный монослой фибробластов NIH 3T3 не влияло на морфо-
логию и процент гибели клеток. В другом эксперименте адгезия
стромальных клеток к пластику, заранее покрытому нанопорош-
1254 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
ком, ухудшалась в местах скопления наночастиц. К 3-м суткам мо-
нослой формировался только в присутствие магнетита, но не ко-
бальтового феррита.
Культуральные эксперименты также показали результаты, зави-
сящие от способа применения ферримагнитных наночастиц (табл. 2,
3). Предварительное краткосрочное сокультивирование наночастиц
с миелокариоцитами теоретически способствует, как минимум, их
фиксации на цитоплазматических мембранах. Тем не менее, при по-
следующем клонировании родоначальных кроветворных клеток не
было замечено их статистически значимой реакции на раздражитель
Рис. 3. Динамика растворения наноразмерных частиц магнетита. По оси
абсцисс – время растворения, сутки; по оси ординат – концентрация ио-
нов железа в растворе, мкг/л. В каждой точке представлены данные четы-
рех измерений.
Рис. 4. Зависимость роста унипотентных гранулоцитарных прекурсоров от
дозы магнетита в интактных условиях (1) и при наложении внешнего маг-
нитного поля (2). По оси абсцисс – доза наночастиц, предельно допусти-
мая концентрация; по оси ординат– амплитуда эффекта, % от контроля.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1255
(табл. 2).
Напротив, наноразмерные частицы магнетита и гематита, но не
кобальтового феррита, добавленные в культуру миелокариоцитов
на пластике, стимулировали на 50% выход КОЕ-Г (табл. 3). При
этом колониестимулирующий эффект наночастиц напрямую кор-
релировал с их средним размером.
Внешнее магнитное поле в использованных дозах оказалось био-
логически инертным в отношении роста гранулоцитарных и моно-
цитарных прекурсоров. В то же время, наноразмерные ферримагне-
тики являются модуляторами эффекта постоянного магнитного по-
ТАБЛИЦА 2. Содержание кроветворных прекурсоров (на 105
нуклеа-
ров/см2) при предварительном смешивании миелокариоцитов с ферримаг-
нитными наночастицами, Х.
Без постоянного
магнитного поля
Постоянное
магнитное поле Образец, n = 4
КОЕ-Г КОЕ-М КОЕ-Г КОЕ-М
Контроль 2,03 0,94 1,43 0,88
Fe3O4 1,08 1,2 2,85
р1 = 0,04
1,90
CoFe2O4 2,08 2,37 2,19 2,24
р1 = 0,04
ТАБЛИЦА 3. Содержание кроветворных прекурсоров (на 105
нуклеа-
ров/см2) после добавления ферримагнитных наночастиц в культуру мие-
локариоцитов на пластике, Х.
Без постоянного
магнитного поля
Постоянное магнитное поле
Образец, n = 4
КОЕ-Г КОЕ-М КОЕ-Г КОЕ-М
Контроль 6,22 3,86 6,11 3,20
Fe3O4
9,78
p1 = 0,016
5,65 6,00 3,58
α-Fe2O3 + Fe3O4
7,91
p1 = 0,02
5,27 4,14
p2 = 0,03
3,21
CoFe2O4 4,52 3,01 5,84 3,95
Cu
4,22
p1 = 0,027
p2 = 0,015
9,56
p1 = 0,003
p2 = 0,001
p3 = 0,016
Примечание: здесь и в табл. 1 (Р1) – статистически значимые различия с
контролем, (P2) – с соответствующими значениями без магнитного воз-
действия.
1256 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
ля, усиливая или ослабляя способность КОЕ-Г к делению (табл. 2, 3).
В свою очередь, модулирующее влияние наночастиц зависит от
способа их использования, фазового состава, размеров, магнитных
характеристик и, возможно, неравномерного распределения в куль-
туре клеток (рис. 5). В частности, наноразмерные композитные час-
тицы меди с примесью железа проявляли слабые магнитные свойст-
ва по сравнению с магнетитом. Тем не менее, они проявляли различ-
ную биологическую активность, противоположную магнетиту, в за-
висимости от напряженности магнитного поля (табл. 3). Возможным
объяснением феномена может быть существенное различие в маг-
нитных характеристиках примененных нами ферримагнитных на-
нопорошков (табл. 1).
Рис. 5. Стромальные механоциты в культуре костного мозга, подвергнутой
комбинированному воздействию наноразмерного магнетита и постоянного
магнитного поля. ×700.
Рис. 6. Нативная колония из 580 кроветворных клеток, выросшая на 7 су-
тки культивирования в жидкой питательной среде в присутствии наноча-
стиц. Для визуализации скопления наночастиц использовано контрасти-
рование снимка в оттенках серого цвета. ×100.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1257
Известно, что размерный фактор может оказывать существенное
влияние на магнитные свойства веществ в нанодисперсном состоя-
нии [11]. По мере уменьшения диаметра частиц металла до некото-
рого критического значения может происходить нарушение домен-
ной структуры, что сопровождается возрастанием коэрцитивной
силы, а при дальнейшем уменьшении размера – появлением су-
пермагнитных свойств и, как следствие, понижением способности
нанопорошков откликаться на воздействие внешнего стационарно-
го магнитного поля.
Фундаментальные магнитные свойства наноразмерных порош-
ков оксидных ферримагнетиков Fe3O4 и CoFe2O4 существенно отли-
чаются от свойств для массивного состояния [12]. При уменьшении
структурного элемента с 105
до 3—15 нм эти вещества проявляют
характерные свойства кластерного спинового стекла. В этом со-
стоянии спины «замерзают» в определенном, но хаотически изме-
няющемся от точки к точке направлении так, что дальний порядок
в системе отсутствует. В результате удельный магнитный момент σ
значительно снижается и составляет 71 и 48 Гс⋅см3/г для магнетита
и кобальтовой феррошпинели соответственно (табл. 1), но остается
достаточно большим для решения различных биомедицинских за-
дач, в частности транспортировки и удержания лекарственных
средств или проведения гипертермии.
С другой стороны, функционально активными в отношении ро-
доначальных клеток гранулоцитопоэза, как в магнитном поле, так
и без него, оказались крупные наночастицы (средний диаметр 28—
67 нм) с крайними значениями магнитных параметров (табл. 1).
Таким образом, размерный фактор, в сравнении с магнитными
свойствами, может оказаться решающим в определении возмож-
ных направлений использования ферримагнитных наночастиц в
биологии и медицине.
Далее эксперименты показали, что возможна дозовая зависи-
мость биологического эффекта наночастиц в интактных условиях и
в магнитном поле (рис. 4). Согласно методике исследования, при
предварительном смешивании ферритов и миелокариоцитов с по-
следующим переносом на пластик конечная концентрация искус-
ственных наноразмерных частиц равнялась 0,9 мг/л (3 ПДК), что
составило 30% от первоначальной дозировки.
Кроме того, мишенью магниточувствительных ферритов могут
быть фибробласты – необходимый элемент гемопоэзиндуцирующе-
го микроокружения для пролиферации и дифференцировки родона-
чальных и зрелых гранулоцитов [13]. В культуре цельного костного
мозга на пластике, как и в культуре фибробластов NIH 3T3, добавле-
ние наноразмерного магнетита, но не кобальтового феррита, способ-
ствует прилипанию стромальных клеток, формированию межкле-
точных контактов по силовым линиям магнитного поля (рис. 5).
1258 И. А. ХЛУСОВ, В. С. СЕДОЙ, Е. П. НАЙДЕН
Наночастицы оксидов железа (в диапазоне средних диаметров
15—60 нм) позиционируются в отношении биологических мишеней
как пассивные или активные агенты [14], что предполагает их при-
менение в различных разделах наномедицины, включая биомарке-
ры, молекулярную диагностику, системы доставки и высвобожде-
ния лекарств или клеточные технологии [5].
Высокая площадь удельной поверхности порошков определяет их
высокую активность в клеточном окружении [5]. Нами выявлена
специфическая активность взвеси ферримагнитных нанопорошков в
отношении функциональных свойств (адгезия, пролиферация) кро-
ветворных и стромальных клеток, не связанная с их растворением,
тем не менее, имеющая сложную природу. Она может зависеть от
физико-химических свойств самих порошков, режима и дозы введе-
ния, наличия внешнего магнитного поля. Кроме того, в многокле-
точных системах нельзя исключить опосредованную реакцию ком-
митированных клеток-предшественников гемопоэза через клетки
(факторы) микроокружения, состояние которых у различных инди-
видуумов и в различных условиях жизнедеятельности весьма из-
менчиво.
Полученные данные открывают новые возможности к созданию
и целенаправленному использованию наноразмерных материалов и
технологий для индивидуальной терапии в рамках персонализиро-
ванной медицины [15]. Так, например, композит меди и кобальто-
вый феррит, в силу наличия магнитных свойств, отсутствия оста-
точной намагниченности (табл. 1), малого размера частиц и биоло-
гической инертности по отношению к пулу стволовых кроветвор-
ных клеток, перспективны в качестве потенциального средства це-
левой доставки лекарств и биологических молекул. Функциональ-
но активный наноразмерный магнетит может найти применение в
клеточных технологиях.
Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке гран-
та ИНТАС № 06-10000-13-8949, федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям раз-
вития научно-технологического комплекса России на 2007-2012
годы» (госконтракт № 02.513.11.3127) и Программы фундамен-
тальных исследований Президиума РАН (проект № 8.21).
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Н. Ф. Кущевская, Порошковая металлургия, № 11/12: 116 (1997).
2. Биологические методы лечения онкологических заболеваний (Ред. В. Т. Де
Вит, С. Хеллман, С. А. Розенберг) (Москва: 2002).
3. А. П. Каплун, Ле Банг Шон, Ю. М. Краснопольский, В. И. Швец, Вопросы
медицинской химии, № 1: 3 (1999).
4. Y. Gogotsi, Materials Research Innovations, 7: 192 (2003).
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ПУЛ 1259
5. C. Medina, M. J. Santos-Martinez, A. Radomski et al., Br. J. Pharm., 150: 552
(2007).
6. Б. М. Злобинский, В. Г. Иоффе, В. Б. Злобинский, Воспламеняемость и
токсичность металлов и сплавов (Москва: 1972).
7. Х. З. Брайнина, Инверсионная вольтамперометрия твердых фаз (Москва:
1972).
8. Введение в методы культуры клеток, биоинженерии органов и тканей
(Ред. В. В. Новицкий, В. П. Шахов, И. А. Хлусов) (Томск: 2004).
9. А. В. Карлов, И. А. Хлусов, Н. С. Поженько, М. В. Чайкина, Бюлл. экспе-
рим. биол. и мед., 138, № 9: 356 (2004).
10. H. J. Johnson, S. J. Northup, P. A. Seagraves et al., J. Biomed. Mater. Res., 19:
489 (1985).
11. А. Д. Помогайло, Наночастицы металлов в полимерах (Москва: Химия:
2000).
12. Е. П. Найден, В. А. Журавлев, В. И. Итин и др., Изв. ВУЗов. Физика, № 9:
40 (2006).
13. Е. Д. Гольдберг, А. М. Дыгай, Е. Ю. Шерстобоев, Механизмы локальной
регуляции кроветворения (Томск: 2000).
14. A. K. Gupta and M. Gupta, Biomaterials, 26: 3995 (2005).
15. K. K. Jain, Curr. Opin. Mol. Ther., 4: 548 (2002).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76233 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:32:59Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хлусов, И.А. Седой, В.С. Найден, Е.П. 2015-02-08T21:03:56Z 2015-02-08T21:03:56Z 2008 Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц
 на пул стволовых кроветворных клеток in vitro / И.А. Хлусов, В.С. Седой, Е.П. Найден // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 4. — С. 1247-1259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 83.80.Gv,87.16.-b,87.17.-d,87.18.-h,87.19.um,87.50.C-,87.85.jj https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76233 Изучено in vitro влияние ферримагнитных наночастиц в дозе 10 предельно допустимых концентраций (3 мг/л) на колониеобразующую способность костномозговых прекурсоров гранулоцитопоэза и моноцитопоэза в
 постоянном магнитном поле с напряженностью 200 Э. Исследовались порошки, полученные методами электрического взрыва проводников (медь,
 магнетит Fe3O4, смесь гематита α-Fe2O3 с магнетитом) или механохимического синтеза (кобальтовый феррит CoFe2O4). Электронная микроскопия
 показала средний диаметр частиц в диапазоне 6—65 нанометров. Выявлена специфическая активность нанопорошков в отношении функциональных свойств кроветворных и стромальных клеток, не связанная с их растворением и, тем не менее, имеющая сложную природу. Она зависит от
 размеров и магнитных характеристик частиц самих порошков, режима и
 дозы их введения, наличия внешнего магнитного поля. Кроме того, в
 многоклеточных системах нельзя исключить реакцию коммитированных
 клеток-предшественников гемопоэза, опосредованную через клетки (факторы) микроокружения, состояние которых у различных индивидуумов и
 в различных условиях жизнедеятельности весьма изменчиво. Полученные данные открывают новые возможности для создания и целенаправленного использования различных наноразмерных материалов и технологий для индивидуальной терапии. Вивчено in vitro вплив феримагнетних наночастинок у дозі 10 гранично
 припустимих концентрацій (3 мг/л) на колонієутворювальну здатність кістковомозкових прекурсорів ґранульоцитопоезу та моноцитопоезу в сталому магнетному полі з напруженістю 200 Е. Досліджувалися порошки, одержані методами електричного вибуху провідників (мідь, магнетит Fe3O4,
 суміш гематиту α-Fe3O3 з магнетитом) або механохемічної синтези (кобальтовий ферит CoFe2O4). Електронна мікроскопія показала середній діяметерчастинок у діяпазоні 6—65 нанометрів. Виявлено специфічну активність
 нанопорошків щодо функціональних властивостей кровотворних і стромальних клітин, яка не пов’язана з їхнім розчиненням і має складну природу.
 Вона залежить від розмірів і магнетних характеристик частинок самих порошків, режиму й дози їх уведення, наявности зовнішнього магнетного поля. Крім того, у багатоклітинних системах не можна виключити реакцію
 комитованих кліток-попередників гемопоезу, опосередковану через клітини (фактори) мікрооточення, стан яких у різних індивідуумів і в різних
 умовах життєдіяльности є надто мінливим. Одержані дані відкривають нові можливості для створення й цілеспрямованого використання різних нанорозмірних матеріялів і технологій для індивідуальної терапії. Effect of ferrimagnetic nanoparticles in the dose of 10 maximum permissible
 concentrations (3 mg/l) on colony-forming ability of bone-marrow granulocytopoiesis
 and monocytopoiesis precursors in constant magnetic field with magnetic
 intensity of 200 Oe is studied in vitro. Powders obtained with method of
 electric explosion of conductors (Fe3O4 magnetite and mixture of α-Fe2O3
 hematite with magnetite) or mechanochemical synthesis (CoFe2O4 cobalt ferrite)
 are investigated. Electron microscopy showed mean diameter of particles
 in the range of 6—65 nanometres. Specific activity of nanopowders in respect of
 functional properties of hemopoietic and stromal cells, which is not connected
 with their dissolution, but having complex nature, is revealed. It depends on
 dimensions and magnetic characteristics of powders themselves, conditions
 and doses of their introduction, presence of external magnetic field. Besides,
 in multicell systems, one cannot exclude the reaction of committed progenitors
 of hemopoiesis, mediated through cells (factors) of microenvironment, the
 state of which is rather variable with different individuals and different vital
 activities. Data obtained open new possibilities to design and purposely use
 various nanosize materials and technologies for individual therapy. Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке гранта ИНТАС № 06-10000-13-8949, федеральной целевой программы
 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012
 годы» (госконтракт № 02.513.11.3127) и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (проект № 8.21). ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro Influence of Magnetic Sensitive Nanosize Particles on the Pool of Hemopoietic Protometrocytes in Vitro Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro Хлусов, И.А. Седой, В.С. Найден, Е.П. |
| title | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| title_alt | Influence of Magnetic Sensitive Nanosize Particles on the Pool of Hemopoietic Protometrocytes in Vitro |
| title_full | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| title_fullStr | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| title_full_unstemmed | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| title_short | Влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| title_sort | влияние магниточувствительных наноразмерных частиц на пул стволовых кроветворных клеток in vitro |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76233 |
| work_keys_str_mv | AT hlusovia vliâniemagnitočuvstvitelʹnyhnanorazmernyhčasticnapulstvolovyhkrovetvornyhkletokinvitro AT sedoivs vliâniemagnitočuvstvitelʹnyhnanorazmernyhčasticnapulstvolovyhkrovetvornyhkletokinvitro AT naidenep vliâniemagnitočuvstvitelʹnyhnanorazmernyhčasticnapulstvolovyhkrovetvornyhkletokinvitro AT hlusovia influenceofmagneticsensitivenanosizeparticlesonthepoolofhemopoieticprotometrocytesinvitro AT sedoivs influenceofmagneticsensitivenanosizeparticlesonthepoolofhemopoieticprotometrocytesinvitro AT naidenep influenceofmagneticsensitivenanosizeparticlesonthepoolofhemopoieticprotometrocytesinvitro |