Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases
The review is made on the development and use of magnetic nanocomposite materials, which are perspective for target drug delivery, hyperthermia, as contrasting agents in magnetic resonance imaging, in immunotests and for the purification or separation of different bioobjects.
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/236 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291341440090112 |
|---|---|
| author | Turanskaya, S. P. Turov, V. V. Gorbyk, P. P. |
| author_facet | Turanskaya, S. P. Turov, V. V. Gorbyk, P. P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "S. P. Turanskaya",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Turanskaya, S. P. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | The review is made on the development and use of magnetic nanocomposite materials, which are perspective for target drug delivery, hyperthermia, as contrasting agents in magnetic resonance imaging, in immunotests and for the purification or separation of different bioobjects. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.273-293
273
УДК 539.211:541.302
МАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ И НАНОКОМПОЗИТЫ В
ДИАГНОСТИКЕ И ЛЕЧЕНИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ
С.П. Туранская, В.В. Туров, П.П. Горбик
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины,
ул. Генерала Наумова, 17, 03164, Киев-164
Представлен обзор литературы по разработке и использованию магнитоуправ-
ляемых нанокомпозитов, перспективных для целенаправленной доставки лекарственных
препаратов, гипертермической обработки определенных участков тела или клеток, в
качестве контрастирующих агентов в методе получения изображений с помощью
магнитного резонанса, в иммунотестах и при очистке или разделении различных
биологических объектов.
The review is made on the development and use of magnetic nanocomposite materials,
which are perspective for target drug delivery, hyperthermia, as contrasting agents in
magnetic resonance imaging, in immunotests and for the purification or separation of different
bioobjects.
1. Пути использования магнитных частиц и нанокомпозитов для решения медико-
биологических задач
Впервые целенаправленная доставка токсинов для уничтожения болезнетворных
микроорганизмов как способ лечения заболевания с помощью агента, обладающего се-
лективным действием, был предложен П. Эрлихом (1854 – 1915). С тех пор разработаны
различные стратегии доставки лекарственных средств в окрестность опухоли,
включающие использование материалов, чувствительных к физическим воздействиям и
содержащих участки, способные к распознаванию опухолевых клеток [1]. В последнее
время миниатюризация электромагнитов, развитие сверхпроводящей техники и создание
способов введения сильных постоянных магнитов внутрь организма позволили приме-
нять средства направленной доставки в таких отраслях медицины как стоматология, кар-
диология, нейрохирургия, онкология, радиология и др. [2].
Магнитные наночастицы – мощные и многофункциональные диагностические
инструменты, применимые как в биологии, так и в медицине. Будучи связанными с соот-
ветствующим антителом, они приобретают способность «метить» специфические моле-
кулы, клеточные популяции, структуры или микроорганизмы. На этой основе были раз-
работаны методики магнитных иммунотестов, в которых магнитное поле, порождаемое
молекулами-мишенями, связанными с магнитными частицами, непосредственно изме-
ряется с помощью чувствительного прибора [3].
Магнитные наночастицы размером от 1 до 100 нм (хотя есть примеры использо-
вания наночастиц размером в несколько сотен нм) содержат ферромагнитную сердце-
вину, состоящую из металла или оксида металла, инкапсулированную в неорганическое
или полимерное покрытие, обеспечивающее стабильность, биосовместимость частиц и
позволяющее прикреплять к их поверхности различные биомолекулы. Магнитные свой-
ства позволяют использовать частицы в различных медицинских целях, в том числе в
качестве:
274
1) магнитных контрастирующих агентов при получении изображений методом
магнитного резонанса;
2) агентов гипертермической обработки, когда магнитные наночастицы подверга-
ют селективному нагреванию связанные с ними клеточные или молекулярные структуры
за счет эффективного поглощения ими энергии высокочастотного электромагнитного
поля;
3) магнитных векторов, которые могут быть направлены в определенный участок
организма при создании градиента магнитного поля, что лежит в основе целенаправлен-
ной доставки лекарственных препаратов.
Наверное, наиболее обещающим применением указанных направлений является
диагностика и лечение рака [1].
Медицинское использование магнитов в современных методах диагностики,
таких как получение изображений с помощью ЯМР-томографии, достигается путем
использования магнитных свойств протонов, молекул воды и молекул органических
веществ, входящих в состав биополимеров, липидов, клеток и тканей тела. ЯМР-томо-
графия применяется для получения трехмерных неинвазивных изображений человечес-
кого тела и в настоящее время является самым важным и доступным методом
диагностики. В процессе развития этого метода вначале считали, что контрастирующие
агенты не нужны, но потом выяснилось, что во многих клинических ситуациях они
способны значительно облегчить диагностику ряда заболеваний. Роль контрастирующих
агентов состоит в значительном ускорении времени магнитной релаксации протонов
воды в некоторых областях организма, что повышает контрастность изображения в
смежных областях. Одна из наиболее эффективных методик для изменения релаксации
воды состоит в использовании высокоспиновых парамагнитных комплексов металла,
например Gd3+-хелатов, вводимых внутривенно. Вскоре это стало рутинной процедурой
при использовании метода ЯМР-томографии. В последние годы для этой цели стали
использовать также водные дисперсии наночастиц магнетита, защищенных слоем
декстрана [2]. Сейчас два типа суперпарамагнитных наночастиц разрешены к
применению в качестве контрастирующих агентов в ЯМР-томографии. Они содержат
неорганическую сердцевину оксида железа (магнетита, магемита или других
нерастворимых соединений железа), покрытого полимером, таким как декстран. Это –
люмирен (покрытые силиконом частицы оксида железа, диаметром 300 нм) и эндорем
(покрытые декстраном наночастицы магнетита, диаметром 150 нм) [3].
В одном из перспективных методов лечения онкологических заболеваний исполь-
зуют гипертермию опухолевых тканей. При этом локальное повышение температуры в
ограниченном участке тела может быть осуществлено путем поглощения на нем элект-
ромагнитного излучения подходящей частоты. Селективность такого теплового воздей-
ствия можно повысить, если в зону распространения опухоли вводить вещества, способ-
ные поглощать электромагнитное излучение более эффективно, чем вода в окружающих
тканях. После того как было установлено, что сильные магнитные поля не слишком
вредны для человеческого организма, кроме пациентов, в тело которых введены
материалы, способные к намагничиванию (медицинские устройства с батареями или
компьютерными чипами, а также металлические материалы внутри сосудов или внутри
черепа), были испробованы способы доставки и удерживания в зоне опухоли
суперпарамагнитных частиц, усиливающих поглощение электромагнитной энергии.
Оказалось, что такая модификация гипертермии может успешно использоваться для
терапии рака, особенно в сочетании с химио- и/или радиотерапией. Гипертермия на
основе магнитных флюидов [2] показала свою эффективность для гомогенной обработки
глубоких или рассеянных опухолей.
275
Недостатки обычных методов лечения опухолей, включающих хирургию, облуче-
ние, химиотерапию и биологические способы (иммунотерапия) заключаются в трудно-
доступности опухоли, риске оперативного вмешательства в организм, распространении
раковых клеток в другие ткани. Иммунотерапия с большим терапевтическим эффектом
может применяться для лечения небольших опухолей, но ее эффективность снижается
на более поздних стадиях рака. Значительные преимущества использования нано- и мик-
рочастиц для доставки лекарственных препаратов состоят в:
1) возможности их доставки в определенные участки тела;
2) снижении общей дозы лекарства, необходимой для достижения определенной
его концентрации вблизи мишени;
3) уменьшении концентрации лекарства в других участках организма, что позво-
ляет избежать серьезных побочных эффектов [1].
Магнитные флюиды на основе соединений железа получили название феррожид-
костей. Феррожидкости – это коллоидные растворы магнитных наночастиц оксида желе-
за, окруженных слоем полимера, с закрепленными биомолекулами, имеющими высокое
сродство к определенной биологической мишени (конкретному виду клеток или тканей).
Частицы феррожидкости могут быть настолько малы (радиус 25 – 100 нм), что ведут
себя в жидкостях скорее как молекулы растворенного вещества, чем коллоидные части-
цы. За счет высокого сродства при контакте частицы феррожидкости они
взаимодействуют с мишенью практически необратимо. Это свойство позволяет
создавать препараты с очень высокой чувствительностью и эффективностью [3].
Внутривенное введение композитных наночастиц является наиболее распростра-
ненным способом достижения ими определенного органа или ткани, поскольку все
живые клетки получают питание через кровеносную систему. Результат применения
магнитных наночастиц как для ЯМР-томографии, так и для гипертермии зависит от
времени их удерживания в плазме крови и окончательного биораспределения. Даже
наиболее активные в условиях in vitro соединения не могут быть использованы для
дизайна средств доставки лекарственных препаратов, если они не существуют in vivo в
кровеносной системе в течение достаточно длительного времени, необходимого для
достижения ими биологической мишени. Удерживание лекарственных препаратов в
кровеносной системе требует поиска путей предотвращения их быстрого метаболизма,
понижения токсичности, замедления иммунных реакций и накопления в нежелательных
тканях. Распределение наночастиц в определенных биологических компартментах
зависит от их размера и формы, гидрофобно/гидрофильного баланса поверхности,
поверхностного заряда.
Важная часть иммунной системы – мононуклеарные фагоциты, состоящие из
клеток-предшественников костного мозга, моноцитов крови и тканевых макрофагов. Эти
макрофаги, распределенные во многих тканях тела, распознают и уничтожают старею-
щие клетки, чужеродные микроорганизмы или частицы. Механизм распознавания/очист-
ки включает: 1) спонтанную адсорбцию циркулирующих в плазме крови белков (опсони-
нов), способных к взаимодействию с определенными рецепторами плазматической
мембраны моноцитов и макрофагов; 2) распознавание частиц; 3) эндоцитоз/фагоцитоз
этими клетками, что приводит к удалению чужеродных частиц и их концентрированию в
органах с высокой фагоцитарной активностью. Поэтому после внутривенного введения
коллоидные частицы исчезают из кровеносной системы в течение нескольких минут и
их типичное окончательное биораспределение составляет 80 – 90 % в печени, 5 – 8 % в
селезенке и 1 – 2 % в костном мозге. Таким образом, создается благоприятная
возможность для эффективной доставки терапевтических агентов в эти фагоцитарные
клетки и в соответствующие органы. Такая опосредованная системой мононуклеарных
фагоцитов доставка композитных наноматериалов называется „пассивной доставкой”.
276
Однако, если моноциты и макрофаги, пребывающие в контакте с кровью, нежелаемая
мишень, то должна быть разработана стратегия „активной доставки”, которая включает:
1) предельное уменьшение или задержку поглощения наночастиц системой
мононуклеарных фагоцитов; 2) повышение возможности направленной доставки
долгоциркулирующих частиц к желаемой мишени путем мечения их поверхности
специфичными лигандами.
Следует обязательно исключить поглощения макрофагами таких долгоциркули-
рующих наночастиц. Один из наиболее эффективных путей к этому состоит в предотвра-
щении адсорбции опсонинов. Показано, что чем меньше размер частиц, выше их хими-
ческая инертность и более гидрофильна поверхность, тем дольше время полужизни час-
тицы в плазме крови. Изменение кривизны поверхности частиц также может влиять на
степень и тип адсорбции опсонина. Гидрофильность частицы может быть обеспечена
поверхностной оболочкой из гидрофильных макромолекул, которые создают прост-
ранственные препятствия и понижают адсорбцию опсонинов. В качестве гидрофильных
макромолекул в настоящее время широко используется полиэтиленгликоль, с молеку-
лярной массой от 2000 до 5000 г/моль [2]. Покрытие наночастиц нейтральным и гидро-
фильным соединением (таким как полиэтиленгликоль, полисахариды, дисопсонины
(сывороточный альбумин человека), и др.) повышает время полужизни (циркуляции в
кровеносной системе) от нескольких минут до нескольких часов или дней [1].
Для повышения возможности направленной доставки долгоциркулирующих час-
тиц к мишени их поверхность должна быть функционализирована лигандами, способны-
ми к специфичному связыванию с определенными участками или рецепторами на по-
верхности мишени (процессы молекулярного распознавания, такие как взаимодействия
антиген–антитело). В случае гипертермической терапии рака активная доставка должна
приводить к избирательной деструкции раковых клеток, даже если они находятся вне
опухолевого очага и представляют собой рассеянные метастатические клетки. Для уста-
новления диагноза методом ЯМР-томографии также необходимо использовать меченые
контрастирующие агенты, которые должны аккумулироваться специфично и в большом
количестве в злокачественных опухолях, позволяя установить точный диагноз на стадии,
когда болезнь еще может быть излечимой. Однако использование антител (или
фрагментов антител) имеет, по крайней мере, два недостатка: их большие размеры (~ 20
нм) приводят к медленной диффузии частиц через биологические барьеры, а
иммуногенность, т. е. способность вызывать иммунный ответ организма, способствует
их быстрой дезактивации. По этим причинам исследуется возможность использования
малых, неиммуногенных лигандов (олигосахаридов, олигопептидов, фолиевой кислоты
и др.) [2].
Активная доставка может осуществляться благодаря избыточной экспрессии
различных эпитопов или рецепторов на опухолевых клетках или их экспрессии исклю-
чительно опухолевыми клетками. Для активной доставки могут использоваться такие
избыточно экспрессирующиеся молекулы, как низкомолекулярные лиганды (фолиевая
кислота, тиамин, сахара); пептиды (RGD, LHRD), белки (трансферрин, антитела, лек-
тины), полисахариды (гиалуроновая кислота), полиненасыщенные жирные кислоты и
ДНК [1].
Среди ферромагнитных материалов, наиболее широко используемых для созда-
ния магнитных наночастиц, следует выделить магнетит Fe3O4. Наночастицы Fe3O4 могут
быть легко синтезированы путем химической со-преципитации (совместного осаждения)
ионов Fe2+ и Fe3+. Это наиболее распространенный метод создания магнитных
наночастиц. В этом методе соли железа при соотношении Fe3+ / Fe2+ = 2 используются
для реакции, которая протекает в щелочной среде:
277
2FeCl3 + FeCl2 + 8NaOH → Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O.
Размер частиц, полученных этим методом, относительно однороден. Однако если
наночастицы Fe3O4 хранятся в водной среде, они могут агрегировать и выпадать в
осадок.
Наиболее распространенный способ создания стабильных магнитных наночастиц
состоит в покрытии их сурфактантами или амфифильными полимерами, поскольку ста-
бильность магнитных частиц очень важна, особенно для магнитных жидкостей, в кото-
рых агрегация частиц до приложения к системе внешнего магнитного поля недопустима.
Стабильные водные суспензии магнетита могут быть получены при использовании в
качестве сурфактантов насыщенных или ненасыщенных жирных кислот. Применение
сурфактантов при создании магнитных наночастиц не только помогает стабилизировать
частицы, но и позволяет уменьшить их размер.
Микроэмульгирование – простой метод синтеза наноразмерных магнитных час-
тиц. Оригинальная методика синтеза предполагает использование пузырьков сурфактан-
та. Как и микроэмульсии, пузырьки сурфактанта могут применяться как микрореакторы
для приготовления магнитных частиц. Разница состоит в том, что в микроэмульсиях
обычно используется только один сурфактант, а жидкая фаза представляет собой систе-
му «вода–масло». В пузырьках сурфактанта присутствуют как минимум два сурфактан-
та: обычно один катионный, другой анионный. В качестве жидкой фазы используется
вода [4].
Благодаря высокому соотношению площадь поверхности/объем и магнитному
диполь-дипольному притяжению магнитные частицы агрегируются, что может ограни-
чивать полезные свойства магнитных жидкостей в таких областях применения как раз-
деление клеточного материала, доставка лекарственных препаратов, получение изобра-
жений методом ЯМР-томографии, установление диагноза и лечение рака. Метод приго-
товления высокодисперсных магнитных наночастиц со средним размером менее 5 нм
описан в [5].
Дистиллированную воду перед использованием деоксигенировали путем барбо-
тирования чистым азотом в течение 30 мин. В качестве источников железа использовали
растворы хлорида железа FeCl3·6Н2О и хлорида железа FeCl2·4Н2О в молярном соотно-
шении 2:1. Смесь 1 моль/л гидроксида аммония и различных количеств раствора цитрата
натрия (щелочная среда) медленно вводили в раствор хлоридов железа при сильном
перемешивании. Молярное соотношение цитрат-ионов к ионам железа изменяли от 25
до 125 %. Реакцию проводили под защитой газообразного азота в закрытой системе при
323 К в течение 2 ч. В результате был получен черный щелочной коллоидный магнетит,
который окислялся на воздухе с образованием коллоидного красновато-коричневого
магемита. К последнему добавляли ацетон в равном соотношении объемов, после чего
происходила флоккуляция коллоида. Жидкость центрифугировали со скоростью
9000 об/мин в течение 10 мин. Супернатант над осадком удаляли путем декантации,
центрифугирование повторяли два раза, используя смесь деоксигенированной воды и
ацетона (1:1) для удаления избытка катионов аммония и натрия. Таким образом, получа-
ли коричневый осадок γ-Fe2O3, который можно повторно пептизировать при добавлении
воды.
Известно, что цитрат-ионы влияют на формирование оксидов железа за счет
комплексообразования на поверхности первичных частиц железа. Когда цитрат-ионы
адсорбируются на ядрах оксидов железа, дальнейший рост частиц ингибируется. Лиган-
ды цитрата не только влияют на рост наночастиц, но также обеспечивают отрицательные
электрические заряды на их поверхности, что препятствует агрегации. После деиониза-
ции приготовленные магнитные коллоиды стабильны в течение как минимум полугода,
278
при этом деионизация необходима, поскольку избыточные катионы аммония и натрия в
коллоидах могут взаимодействовать с отрицательно заряженным поверхностным слоем
и препятствовать возникновению сил отталкивания между частицами.
В случае, если добавляемая вода не деоксигенирована и синтез протекает на
воздухе без защиты газообразным азотом, приготовленные коллоиды имеют красновато-
коричневую окраску, которая свидетельствует о примеси других оксидов железа. Поэто-
му необходимо в процессе синтеза использовать газообразный азот для предотвращения
нежелательного окисления.
Если в раствор железа вводить щелочь слишком быстро при интенсивном пере-
мешивании, может быть получен черный коллоид, но распределение частиц по размеру
будет слишком широким, а размер частиц в таком случае не контролируется должным
образом [5].
Среди различных наноструктурных материалов большой интерес для применения
в разных отраслях биомедицины и биоинженерии проявляется к таким магнитным
наночастицам, как магнетит, магемит, никель и кобальт, что обусловлено их суперпара-
магнитными свойствами. При этом рассматривается возможность их использования для
доставки лекарственных веществ с помощью магнита, выделения клеток из биологичес-
ких жидкостей, создания контрастирующих агентов в ЯМР-томографии, иммунотестах и
для очистки биомакромолекул. Однако с целью предотвращения их агрегирования и
седиментации, а также придания особых поверхностных свойств для функционального
применения в большинстве случаев необходимо обеспечивать покрытие магнитных
наночастиц немагнитным матриксом.
В качестве такого матрикса может выступать слой кремнезема. Оказалось, что
кремнеземная оболочка позволяет придать наночастицам ряд полезных свойств. Во-пер-
вых, он способен устранять магнитное дипольное притяжение между частицами, что
способствует диспергированию магнитных наночастиц в жидких средах и защищает их
от выщелачивания в кислотной среде. Во-вторых, благодаря существованию большого
числа силанольных групп на поверхности кремнезема покрытые им магнитные нано-
частицы могут быть легко модифицированы различными функциональными группами.
И наиболее важно то, что слой кремнезема на поверхности магнитных наночастиц
обусловливает химическую инертность их поверхности в биологических системах.
Существует четыре основных метода приготовления магнитных наночастиц,
покрытых кремнеземом. Первый метод, известный как золь-гель процесс, основан на
использовании алкоксидов кремния как источника кремнеземного матрикса. Согласно
этому методу фаза кремнезема формируется на коллоидных магнитных наночастицах в
основной смеси спирт–вода. Второй подход базируется на формировании магнитных
наночастиц внутри пор предварительно синтезированного кремнезема с применением
соединений металла (например, солей или алкоксидов) как источника магнитной фазы.
Третий метод называется аэрозольным пиролизом. Согласно этому методу, покрытые
кремнеземом магнитные наночастицы получают пиролизом аэрозоля из смеси-прекур-
сора, содержащей алкоксиды кремния и соединение металла. Согласно четвертому
методу, предложенному совсем недавно, при формировании обратной микроэмульсии
для приготовления или суспендирования магнитных наночастиц использовали неионо-
генные сурфактанты, при этом слой кремнезема формировался вокруг них гидролизом и
конденсацией тетраэтилортосиликата. Среди указанных методов, для приготовления
покрытых кремнеземом магнитных наночастиц золь-гель синтез используется наиболее
часто из-за таких его преимуществ, как относительно мягкие условия протекания реак-
ции, низкая стоимость и отсутствие посторонних веществ (сурфактантов), которые при
последующих стадиях синтеза должны быть удалены [6].
279
Были разработаны композитные магнитные наночастицы для доставки в клетки
тела терапевтических генов или противоопухолевых лекарств [7]. Магнитные наночас-
тицы покрывали полимерным матриксом О-карбоксиметилхитозаном. Этот полимер
биосовместим, подлежит биодеградации, нетоксичен и растворим в воде. Кроме того, он
имеет противоопухолевые и антисептические свойства, а также содержит карбоксильные
и аминогруппы, которые могут ковалентно связываться с различными биологически
активными макромолекулами, противоопухолевыми препаратами и липосомами. Маг-
нитные наночастицы, покрытые этим полимером, конъюгировали с полипептидом
вирусного происхождения HIV-1 (tat). Этот полипептид содержит 86 аминокислотных
остатков и важен для репликации вируса. Его использование при создании композитных
наночастиц весьма существенно в связи со способностью проходить сквозь клеточную и
ядерную мембрану, поскольку эти мембраны – труднопреодолимые препятствия для
магнитных наночастиц. Манипулируя этим свойством tat, непроникаемые магнитные
наночастицы могут быть введены в клетку и в клеточное ядро. Кроме того, tat может
быть связан с поверхностью полимера дисульфидными связями, что облегчает
расщепление нанокомпозита внутри клетки, деградацию наночастицы и выход из них
лекарственного препарата или ДНК. Была оценена возможность использования данной
композитной наночастицы в качестве носителя лекарственных препаратов путем
прививки модельного лекарства MTX [7].
Поскольку противоопухолевые препараты вызывают серьезные побочные эффек-
ты, которые ограничивают их эффективное терапевтическое использование, представля-
ется интересным повысить соотношение польза/вред таких лекарств путем направленно-
го транспорта к больным органам или тканям с применением магнитного поля. С другой
стороны, термочувствительные липосомы в сочетании с местной гипертермией могут
быть применены для лечения рака. Сейчас изучаются возможности электромагнитного
нагревания, особенно локальной гипертермии глубоких структур тела. Как уже сообща-
лось, магнетит, покрытый декстраном, может использоваться для селективного нагрева с
помощью переменного магнитного поля. Благодаря высокой диспергируемости в воде
декстран-магнетит способен включаться в липосомы в гораздо большей степени, чем
обычный магнетит, который не может быть полностью диспергирован ни в водном, ни в
органическом растворителе. Разработаны термочувствительные липосомы, включающие
декстран-магнетит, и названные термочувствительными магнитолипосомами (ТМ).
Сочетание магнитных и термочувствительных свойств в липосомах для магнит-
ного транспорта может способствовать не только направленной доставке лекарственного
препарата с помощью магнитного поля, но и выходу лекарства в ответ на гипертермию,
особенно вызванную электромагнитным полем местную гипертермию. ТМ нагреваются
с помощью переменного электромагнитного поля, но не статического, используемого
для направленного транспорта. Гипертермия – эффективный способ лечения рака. Для
этой цели полезен декстран-магнетит, имеющий очень низкую токсичность.
ТМ способны эффективно удерживаться магнитным полем в линейной проточной
системе в условиях in vitro. Однако возможности использования ТМ для целенаправлен-
ной доставки лекарственного препарата внутри интактного организма в условиях in vivo
оставались невыясненными. В качестве модельного органа-мишени была выбрана пе-
чень, поскольку одним из наиболее распространенных летальных злокачественных ново-
образований является гепатоклеточная карцинома. Системная химиотерапия в общем
неэффективна при лечении неоперируемых форм этого заболевания. Активность ретику-
лоэндотелиальной системы (системы мононуклеарных фагоцитов) ослаблена у пациен-
тов с гепатоклеточной карциномой. Кроме того, активность ретикулоэндотелиальной
системы ослабляется после химиотерапии неопластических заболеваний, что связано с
подавлением функции костного мозга.
280
После внутривенной инъекции ТМ проходили через печень и удерживались в
ней. Неудержанные печенью ТМ инкубировали на водяной бане при 315 К в силиконо-
вой катушке длиной 20 м (соответственная скорость потока 2 мл/мин в течение 8 мин). В
этих условиях флуоресцентный маркер, кальцеин, выходил из ТМ и регистрировался с
помощью детектора. Поскольку молекулы кальцеина, вышедшие из липосом, имеют
значительно более высокую интенсивность флуоресценции, чем заключенные в липосо-
мах, между печенью и флуоресцентным детектором располагали силиконовую катушку,
нагреваемую до 315 К, для того чтобы вызвать полный выход кальцеина из ТМ.
Было исследовано соотношение удерживаемости ТМ в присутствии и в отсутст-
вие магнитного поля. В печени животных с нормальной и блокированной ретикулоэндо-
телиальной системой (хлорид гадолиния, GdCl3, способен подавлять фагоцитарную
активность ретикулоэндотелиальной системы) это соотношение больше единицы, что
свидетельствует о том, что ТМ могут быть целенаправленно удерживаемы в печени,
органе с хорошим кровоснабжением, с помощью магнита, расположенного вне тела.
Более того, в нормальной печени количество ТМ, не удержавшихся в печени и покинув-
ших ее, составляло только 14 – 16 % в присутствии магнита и 25 – 41 % в его отсутствие.
Это свидетельствует о преимуществах целенаправленного транспорта с помощью
магнита с точки зрения снижения возможных системных побочных эффектов противо-
опухолевых препаратов, заключенных в липосомы. Кроме того, исходя из предыдущих
исследований in vitro, это соотношение должно быть тем выше, чем более сильный маг-
нит применяется.
Однако печень способна удерживать ТМ даже в отсутствие магнитного поля. Для
того чтобы выяснить, как поглощение системой мононуклеарных фагоцитов способст-
вует удерживанию ТМ в печени без применения магнита, были проведены эксперимен-
ты in situ с использованием печени мышей с блокированной ретикулоэндотелиальной
системой и результаты сравнены с полученными для печени нормальных животных.
Установлено, что соотношение удерживаемости ТМ в присутствии и в отсутствие
магнитного поля значительно выше в печени животных с блокированной
ретикулоэндотелиальной системой, как при высоких, так и при низких концентрациях
декстрана-магнетита и липосом.
Таким образом, в разных клинических ситуациях липосомы удерживаются в
печени более эффективно в случае применения магнитного поля. Укажем другие
преимущества магнитного транспорта ТМ в печень. 1. Даже если поглощение клетками
ретикулоэндотелиальной системы значительно, дополнительное удерживание ТМ
способствует эффективной гипертермии, поскольку повышение температуры зависит от
концентрации ТМ (или декстрана-магнетита) в определенном участке. Кроме того,
поскольку способность к поглощению системой мононуклеарных фагоцитов ограничена,
магнитный транспорт может быть эффективен и в тех случаях, когда имеется большее
количество липосом, содержащих лекарственное средство, чем способны поглотить
фагоциты, что и требуется для эффективного лечения рака. 2. Токсичность лекарств
(особенно антинеопластических препаратов) может быть максимально снижена с
уменьшением количества ТМ, вытекающих из печени в другие органы. 3. В идеальном
случае авторы [8] надеются доставлять антинеопластический препарат в паренхималь-
ные клетки неретикулоэндотелиальной системы. Производство ТМ, избегающих погло-
щения системой мононуклеарных фагоцитов, расширит преимущества магнитного тран-
спорта липосом. В альтернативном способе используется временная блокада клеток
ретикулоэндотелиальной системы. Поскольку магнитный транспорт не органоспецифич-
ный, ТМ могут применяться для доставки лекарственных препаратов и в другие органы,
кроме печени (например, мозг) [8].
281
Хорошим альтернативным методом противоопухолевой терапии, имеющим
минимальные побочные эффекты, является фотодинамическая терапия. Он основан на
введении в опухолевый очаг фоточувствительного препарата с последующим воздейст-
вием на опухоль электромагнитного излучения (спектрального диапазона 600 – 800 нм,
называемый терапевтическим окном). При поглощении электромагнитного излучения в
этом диапазоне молекула фоточувствительного препарата подвергается превращению из
основного синглетного в возбужденное триплетное состояние, которое может приводить
к образованию синглетного кислорода вследствие реакции переноса энергии между воз-
бужденной формой молекулы фоточувствительного препарата и молекулярным кислоро-
дом. Возбужденный фоточувствительный агент может также взаимодействовать с окру-
жающими биомакромолекулами путем переноса электронов или атомов водорода, что
приводит к образованию других реакционноспособных форм кислорода, таких как кис-
лородный супероксид О2
¯ или гидроксил-радикал. В общем предполагается, что молеку-
ла синглетного кислорода – главный разрушающий фактор фотодинамической терапии,
приводящий к необратимой деструкции тканей-мишеней.
Была создана магнитная наноэмульсия масла в воде с биодеградируемыми свой-
ствами (рис. 1) [9]. Эта композиция получена путем непосредственной эмульсификации
из биодеградируемых сурфактантов в водной среде и соевых фосфолипидов в органи-
ческой фазе. Используемыми магнитными наночастицами были покрытые фосфатом
частицы магемита (γ-Fe2O3), стабилизированные в виде водного коллоида при биологи-
ческом рН. В магнитную наноэмульсию включали хорошо известный фоточувствитель-
ный медицинский препарат фоскан, применяемый в фотодинамической терапии для
лечения рака. Для изучения проникаемости препарата в кожу в условиях in vitro фоскан
вводили в наноэмульсию в присутствии и в отсутствие покрытых фосфатом магнитных
наночастиц. Было показано, что проницаемость кожи для фоскана существенно повыша-
лась в присутствии магнитных наночастиц, что объясняется более высокой стабиль-
ностью магнитной наноэмульсии. Повышение удерживания лекарства в роговом слое,
эпидерме и дерме указывает на эффективность системы магнитной доставки лекарствен-
ного препарата магнитными наночастицами, покрытыми слоем фосфата. Такая система
лекарственной доставки действует как усилитель проникаемости препарата и может
использоваться для фотодинамического повреждения возбужденных светом участков
ткани. Система обладает высокой фотодинамической активностью и в будущем может
использоваться в клинической терапии для редукции неопластических клеток.
МАГНИТНАЯ
НАНОЧАСТИЦА
ВОДНАЯ СРЕДА
КАПЛЯ МАСЛА
ФОСКАН
НЕЗАРЯЖЕННЫЕ
СУРФАКТАНТЫ
Рис. 1. Схематическое изображение капли магнитной наноэмульсии масла в воде.
282
На сегодняшний день наибольший интерес в клиническом использовании магнит-
ных наночастиц представляет оксид железа. Это связано с химической стабильностью,
биосовместимостью и сравнительной легкостью получения наночастиц магнетита Fe3O4
и магемита γ-Fe2O3. Синтез обычно производят в водном растворе подходящих макромо-
лекул. Макромолекулы ограничивают рост магнитного ядра, в то же время создавая пок-
рытие, которое помогает контролировать дисперсность и агрегирование частиц. Экспе-
рименты in vivo показали, что оксид железа в таких композициях постепенно подверга-
ется природному кругообороту. Тело человека содержит около 3 – 4 г железа,
находящегося преимущественно в таких белках как ферритин, гемосидерин,
трансферритин и гемоглобин. Когда магнитные наночастицы начинают распадаться,
любая растворимая форма железа принимает участие в образовании указанных молекул,
и этот процесс регулируется самим организмом. Принимая, что клиническая доза
должна содержать только несколько миллиграммов железа на килограмм веса тела,
возможность перенасыщения железом представляется совершенно невероятной. Если
синтезированные Fe3O4 и γ-Fe2O3 находятся в форме наночастиц, они проявляют
суперпарамагнитные свойства при комнатной температуре. Другими словами, они
сильно намагничиваются при наложении магнитного поля, но не сохраняют свойств
постоянного магнита при выключении поля. Это позволяет надеяться, что наночастицы
оксида железа могут повысить точность направленной доставки лекарственных
препаратов к определенным участкам тела и при этом не будут агрегироваться в
процессе синтеза или при выключении приложенного магнитного поля, находясь в
диспергированной форме.
Комбинации Fe3O4 и γ-Fe2O3 одобрены в клинических применениях в качестве
контрастирующих агентов для получения изображений методом магнитнорезонансной
томографии. Контрастирующие агенты изменяют время поперечной релаксации прото-
нов воды. Это приводит к «негативному контрасту», или темным пятнам, на снимках.
Контрастирующие агенты на основе оксида железа мало влияют на продольную релак-
сацию. Эти агенты называются суперпарамагнитными оксидами железа, если индивиду-
альные частицы крупнее 50 нм, и ультрамалыми суперпарамагнитными оксидами желе-
за, если диаметр частиц менее 50 нм. Суперпарамагнитные оксиды железа используются
для контрастирования при получении изображений органов, связанных с ретикулоэндо-
телиальной системой (например, печень, селезенка), в которых они быстро накаплива-
ются после внутривенного введения. Ультрамалые суперпарамагнитные оксиды железа
применяются для контрастирования при лимфографии благодаря их тенденции аккуму-
лироваться в лимфатических узлах [10].
Хотя коммерческие контрастирующие агенты полезны для усиления контрастных
различий при получении изображений печени или селезенки, они не способны к актив-
ному транспорту в определенные клетки-мишени. Для этой цели был разработан конт-
растирующий агент направленного действия – магнетит с присоединенными к нему
моноклональными антителами, специфичными к раковым клеткам. Этот контрастирую-
щий агент был синтезирован путем ковалентного присоединения покрытого полиэтилен-
гликолем магнетита к моноклональным антителам, специфичным к поверхностному
антигену клеток глиомы человека. После внутривенного введения мышам с опухолью
магнетита с присоединенными моноклональными антителами наночастицы магнетита
аккумулировались в опухолевой ткани и только через 24 или 48 ч после инъекции
наблюдалось снижение интенсивности сигнала на 50 % (рис. 2) [11].
Парамагнитные или суперпарамагнитные вещества, конъюгированные со специ-
фичными к опухоли моноклональными антителами, могут быть полезными для иденти-
фикации определенного типа опухоли. Сердцевину использованных в [12] магнитных
частиц составляли частицы оксида железа в виде монокристалла, покрытые стабильной
283
оболочкой из декстрана, которая изолирует их от окружающих растворов и снижает
адсорбцию белка на поверхности.
время, ч
О
тн
. и
нт
ен
си
вн
ос
ть
, %
Наночастицы
магнетита
(10 нм)
Антитело G22
Полиэтилен-
гликоль
Время, ч
а б
Рис. 2. Схема использования магнетита, конъюгированного с моноклональными анти-
телами, в качестве контрастирующего агента для ЯМР-томографии. Магнетит,
конъюгированный с моноклональными антителами (а) получен ковалентным
связыванием магнетита, покрытого полиэтиленгликолем, с антителами G22. Его
вводили внутривенно мышам с опухолью глиомы. Измерения интенсивности
сигнала проводили через 30 мин, 24 и 48 ч после введения (б). Сравнение ин-
тенсивностей сигналов времени поперечной релаксации T2 опухолевой ткани
между наночастицами магнетита с (зачерненные кружки) или без (светлые круж-
ки) антител G22.
Для конъюгации антител L6 (моноклональные антитела мыши, специфичные к
пропрессофизинподобному белку клеточной поверхности – антигену, в большом коли-
честве присутствующему на поверхности клеток злокачественных опухолей человека:
мелкоклеточной карциномы легких, карциномы груди и карциномы толстой кишки) с
монокристаллическими наночастицами оксида железа, сначала инкубировали последние
с NaIO4 (изначальное соотношение декстран/NaIO4 по весу составляло 1:1, а соотноше-
ние наночастицы/L6 (в мг) 1:2) в цитратном буфере с концентрацией 0,01 моль/л, рН 8,4
при комнатной температуре, и затем производили очистку на колонке Sephadex G-100.
Продукт этой реакции затем конъюгировали с моноклональными антителами (L6 или
Р1.17) в буфере бикарбоната натрия концентрацией 0,2 ммоль/л, рН 6,5, в течение 15
мин при комнатной температуре. Далее добавляли 10 мг NaCNBH3 для восстановления
основания Шиффа. После этого производили очистку методом ультрафильтрации
(фильтр Amicon) и гель-хроматографии на колонке Biogel A15 для отделения свободных
антител от связанных. Около 12 моноклональных антител были связаны с одной
коллоидной частицей оксида железа [12].
Монодисперсные, способные к намагничиванию полимерные частицы, Dynabeads
M-450 (Dynal, Осло, Норвегия), были разработаны Ugelstad et.al. [13]. Частицы имели
диаметр 4,5 мкм,площадь поверхности от 3 до 5 м2/г и содержали 20 % железа в форме
γ-Fe2O3. Композиция содержала 1,4×1010 частиц/г. Поверхность частицы была частично
гидрофобна, что позволяло проводить физическую адсорбцию антител, и частично гид-
рофильна благодаря присутствию гидроксильных групп, которые могли быть активиро-
ваны и использованы для химической прививки антител.
284
Антитела химически прививались к поверхности частиц после активации гидрок-
сильных групп п-толуолсульфохлоридом, СН3С6Н4SO2Cl. Суспензия частиц была приго-
товлена в стерильной воде и автоклавирована при 393 К в течение 20 мин. Частицы
переводились в сухой ацетон посредством последовательной промывки в 30, 60 и 80 %
растворах ацетона в воде и трехкратной финишной промывки сухим ацетоном. К 1 г
частиц добавляли 5 мл ацетона, 2 мл пиридина и 2 г п-толуолсульфохлорида в 5 мл
ацетона. Смешивание проводили в течение 12 ч при комнатной температуре.
Полученные частицы промывали 3 раза ацетоном и помещали в воду посредством
последовательных промывок в 80 %, 60 % и 30 % растворах ацетона в воде. Затем части-
цы обрабатывали 70 % этанолом в течение 1 ч при комнатной температуре, промывали 3
раза в воде и хранили при 277 К в воде как суспензию с концентрацией частиц 100
мг/мл.
Антитела в буфере фосфата натрия концентрацией 0,01 моль/л, содержащем
0,5 моль/л NaCl при рН 7,5, добавляли к активированным частицам в количестве 5 мкг
антител/мг частиц или около 50 мг частиц/мл. Суспензию помещали в боратный буфер
концентрацией 0,1 моль/л, рН 9,5, и инкубировали при комнатной температуре в течение
20 ч. Частицы промывали повторно в растворе NaCl с концентрацией 0,9 %, содержащем
1 %-ную стерилизованную при нагревании человеческую сыворотку крови. Полученные
препараты содержали 2,5 – 3 мкг антител/мг частиц, что соответствует от 1,2·105 до
1,4·105 молекул антител/гранулу [13].
2. Новые типы магнитоуправляемых иммуносорбентов
Синтез магнитоуправляемых сорбентов с высокой сорбционной активностью был
осуществлен методом формирования пористой структуры носителя в присутствии орга-
нических полимеров в соответствии с принципами, сформулированными в работе [14].
Нанокремнезем А-380 был использован в качестве структурного компонента,
формирующего остов композиционного сорбционного материала [15]. В качестве орга-
нических компонентов синтеза использовали 3 %-ный раствор хитозана в 3 %-ной
уксусной кислоте, применяли магнетит (Fe3O4) как магнитный компонент. Кроме того,
был разработан способ получения магносорбентов путем введения на стадии получения
гидрогеля оксалата железа (II). Таким образом, технология получения
магноиммуносорбентов включает 8 стадий:
1) получение гидрогеля из аэросила и компонентов синтеза (хитозан, Fe3O4, оксалат
железа (II));
2) созревание и синерезис композиционного гидрогеля;
3) термообработка гидрогеля и образование ксерогеля;
4) механическое размельчение ксерогеля;
5) выделение высокодисперсной фракции магносорбента методом рассева;
6) стерилизация магносорбента методом автоклавирования;
7) химическое модифицирование магносорбента функциональными группами (метод
бензохиноновый, глутаральдегидный, окисления перхлоратом);
8) ковалентное присоединение к магносорбенту лиганда (антигены, антитела).
Стадии 1 – 3 характеризуют процесс синтеза магносорбентов на основе формиро-
вания пористой структуры органокремнеземной матрицы в присутствии компонентов
синтеза. На стадии 1 за счет конденсации с участием силанольных групп кремнезема –
аэросила образуется гидрогель. На стадии 2 при созревании и синерезисе гидрогеля про-
текают дегидратационные процессы, что приводит к уменьшению объема гидрогеля и
его уплотнению. На стадии 3, при термообработке, гидрогель превращается в ксерогель,
при этом объем его уменьшается в 8 – 15 раз благодаря действию капиллярных сил. На
стадиях 4 – 8 завершается синтез композиционных магносорбентов, обеспечивающий
285
выделение высокодисперсной фракции, получение стерильного сорбционного матери-
ала, а также его активирование функциональными группами с последующей иммобили-
зацией лигандов.
Структура композиционных сорбентов может быть представлена корпускулярной
системой, состоящей из частиц кремнезема, покрытых полимером (в данном случае
хитозаном). Размер корпускул определяет величину удельной поверхности, а плотность
их упаковки – объем и радиус пор. Механизм образования пористых хитозан-кремнезем-
ных магносорбентов – это сложный процесс, сопровождающийся формированием
корпускулярной структуры кремнеземного остова из непористых частиц аэросила А-380
и включением в него магнетита и органического полимера – хитозана.
Рассмотренный механизм образования композиционных сорбентов согласуется с
литературными данными по получению органокремнеземных сорбентов для аффинной
хроматографии и носителей для иммобилизации ферментов [14].
Получение магносорбентов проводили двумя способами.
1. На первой стадии синтеза сорбента использовали готовый магнетит. Для этого
к 5 г нанокремнезема А-380 добавляли 3 %-ный раствор хитозана в 3 %-ной уксусной
кислоте и магнетит в количестве 0,5 – 3 г. Полученный продукт подвергали гелеобразо-
ванию в течение 4 ч при 295 К, предварительно поместив гидрогель в кварцевые
кюветы. Затем полученный продукт высушивали до образования ксерогеля в течение 2 ч
при температуре 368 – 378 К, измельчали, а затем методом рассева выделяли фракции с
размером частиц 70 – 150 мкм.
2. На второй стадии синтеза использовали оксалат железа. Для этого к 5 г нано-
кремнезема А-380 добавляли 3 %-ный раствор хитозана в 3 %-ной уксусной кислоте и
далее оксалат железа в количестве 1,5–3 г. В отличие от предыдущего способа, на стадии
3 термообработку гидрогеля и высушивание ксерогеля проводили при температуре
453 К. При этом происходит разложение оксалата железа до FeO, далее образование
Fe2O3 и получение магнетита Fe3O4.
Были проведены исследования структурных характеристик полученных магно-
сорбентов. Удельную поверхность материалов определяли на основании данных низко-
температурной адсорбции азота, а суммарный объем пор и их диаметр – методом ртут-
ной порометрии на приборе AYTO PORE 9200.
В табл. 1 представлены структурные характеристики сорбентов, полученные
методом формирования пористой структуры кремнеземной матрицы в присутствии
органического полимера хитозана и использовании в качестве магнитного материала
магнетита.
Таблица 1. Характеристики магносорбентов в зависимости от количества магнетита,
используемого в синтезе
Образец
Массовое соотношение
компонентов синтеза Время гелеобра-
зования, ч
Удельная
поверх-
ность, м2/г
Объем
пор,
см3/г
Диаметр
пор, нм SiO2 Fe3O4 Хитозан
1 5 2,5 1,5 4 68 1,5 35
2 5 1,5 1,5 4 74 1,4 32
3 5 0,5 1,5 4 82 1,2 26
В табл. 2 представлены структурные характеристики хитозанкремнеземных маг-
носорбентов, полученных методом формирования пористой структуры кремнеземной
матрицы в присутствии полимера хитозана и оксалата железа.
286
Таблица 2. Характеристики магносорбентов в зависимости от количества оксалата
железа, используемого в синтезе
Образец
Массовое соотношение
компонентов синтеза Время гелеобра-
зования, ч
Удельная
поверх-
ность, м2/г
Объем
пор,
см3/г
Диаметр
пор, нм SiO2 Хитозан Оксалат
железа
4 5 1,5 3 4 70 1,63 37
5 5 1,5 2,5 4 73 1,55 34
6 5 1,5 2 4 78 1,35 30
Из сравнения данных табл. 1 и 2 следует, что при использовании в качестве
компонента для синтеза сорбентов оксалата железа получаемые магносорбенты имеют
несколько меньшую удельную поверхность и большее значение объема пор. Это объяс-
няется, по-видимому, разрыхляющим и активирующим влиянием газообразных продук-
тов, выделяющихся при разложении оксалата железа, с образованием FeO, далее Fe2O3 и
магнетита.
В последующем была проведена количественная оценка магнитных свойств
разработанных композиционных магносорбентов с использованием вибрационного
метода [15]. Для определения магнитных свойств сорбент закреплялся на конце тонкого
стержня из немагнитного материала, который с помощью цангового зажима соединялся
с вибрационной системой, приводящей образец в колебательное движение. Образец
магносорбента располагался между четырьмя измерительными катушками, которые
неподвижно закреплялись на полюсах электромагнита.
Магнитный момент сорбента определяли по магнитному моменту эталона – плас-
тинки из никеля. Расчет удельной намагниченности проводили по формуле:
=удМ
обрэт
этобр
mЕ
mЕ
,
где этЕ , этm – ЭДС и масса эталона; обрЕ , обрm – ЭДС и масса сорбента.
Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3, из которой
следует, что величина удельной намагниченности насыщения возрастает с увеличением
содержания магнетита в составе композиционных хитозанкремнеземных сорбентов.
Таблица 3. Магнитные свойства хитозанкремнеземных магносорбентов
Образец
Массовое соотношение
компонентов синтеза
Удельная
поверх-
ность, м2/г
Удельная намагниченность
насыщения, А·м2/кг SiO2 Fe3O4 Хитозан
1 5 2,5 1,5 68 17,4
2 5 1,5 1,5 74 10,2
3 5 0,5 1,5 82 4,3
С целью дальнейшего активирования композиционных сорбентов функциональ-
ными группами были разработаны три варианта модифицирования носителей – бензохи-
ноновый, окислением и с применением глутарового альдегида.
Аминокремнеземы могут использоваться в качестве промежуточных продуктов
для синтеза биоспецифических адсорбентов методом химической сборки. Для химичес-
кого превращения аминогрупп, находящихся в поверхностном слое кремнезема, в альде-
287
гидные группы носители обрабатывают глутаровым альдегидом. Этот метод основан на
способности аминогрупп образовывать с карбонильными соединениями азометиновые
связи. Наличие в структурных звеньях хитозана двух гидроксильных и первичной ами-
ногруппы расширяет возможности его модификации.
Окислительный метод состоит в формировании на поверхности магносорбентов
альдегидных групп за счет взаимодействия с сильным окислителем NaClO4:
Синтез альдегидосодержащего магносорбента проводили следующим образом
[15]: к 1 г хитозанкремнеземного сорбента приливали 20 мл дистиллированной воды,
содержащей 0,5 г перхлората натрия. Затем сорбент инкубировали в течение 1 ч в
темноте при температуре (295 ± 4) К, после чего его отмывали дистиллированной водой
(6-кратно, по 70 – 80 мл). Концентрация альдегидных групп магносорбентов определя-
лась в соответствии с методикой, описанной в [16], и составила 0,42 мг-экв/г.
Был также разработан метод модифицирования хитозанкремнеземных сорбентов
бензохиноном [14]:
Н2N – AT – антитела с аминогруппами на поверхности.
В этом случае синтез магносорбента проводили следующим образом: к 1 г компо-
зиционного хитозанкремнеземного сорбента приливали 5 мл 0,1 моль/л фосфатного
буфера с рН 8,5, содержащего 2,5 мг бензохинона. Инкубировали сорбент при
температуре (295±4) К в течение 1 ч. Затем магносорбент промывали трижды по 60 –
80 мл фосфатным буфером с pH 8,5. При таком химическом модифицировании на
поверхности сорбента образуются функциональные группы, которые способны к
ковалентному связыванию с аминокислотными остатками тирозина, лизина и гистидина,
входящих в состав белкового лиганда [17].
Был также опробован вариант модифицирования поверхности магносорбентов
глутаровым альдегидом. Схема получения композиционных магноиммуносорбентов с
применением глутарового альдегида имеет следующий вид:
288
Для синтеза к 1 г хитозанкремнеземного сорбента добавляли 2 мл дистиллирован-
ной воды и 1,5 мл 25 %-ного глутарового альдегида. Выдерживали 15 – 17 ч при
температуре 295 ± 4 К. Затем сорбент шестикратно отмывали по 60 мл
дистиллированной водой.
В процессе иммобилизации на поверхности магносорбентов белковых молекул
иммуноглобулинов (антител) олигогидрохиноновые группы взаимодействуют с амино-
группами белка. Схема иммобилизации антител через альдегидные группы, полученные
перхлоратным окислением хитозаномагносорбентов, имеет вид:
При ковалентном связывании антител с активированным магносорбентом
иммобилизация осуществляется за счет образования азометиновых связей.
Для оптимизации условий получения магноиммуносорбентов были проведены
исследования влияния таких факторов, как температура и рН раствора иммуноглобули-
нов на функциональные свойства магноиммуносорбентов – специфическую активность
и чувствительность.
Для изучения влияния рН раствора иммуноглобулинов на процесс их иммобили-
зации в первом случае значение рН доводили до 9,0 добавлением 0,5 %-ного раствора
едкого натрия, а во втором случае – до значения рН, равного 5,5, использованием
2 моль/л раствора соляной кислоты. Иммобилизацию иммуноглобулинов с разными
магноиммуносорбентами осуществляли в течение 1 ч при температуре (295 ± 4) К. Далее
иммуносорбенты использовали в тест-системах для иммуноферментного анализа [15].
3. Поиск новых магниточувствительных материалов
Как было показано выше, анизотропное распределение наночастиц оксида железа
в неоднородном магнитном поле может использоваться для получения изображений.
Обычно вопрос о том, могут ли в действительности эти частицы передвигаться в теле
человека при приложении магнитного поля к отдельным участкам [10] требует
дополнительного изучения. Единственной значительной силой, которую магнитные
частицы преодолевают в биологических жидкостях, является гидродинамическая сила.
Величина гидродинамической силы может быть очень высокой в малых капиллярах, где
скорость движения крови минимальна и составляет только 0,05–0,1 см/с [18].
Увеличение размера частиц, несомненно, будет способствовать их притяжению к
внешнему магниту. Однако исследователи весьма осторожны в чрезмерном увеличении
размера суперпарамагнитных частиц оксида железа в связи с повышением вероятности
289
блокады ими кровеносных сосудов. Более мелкие частицы имеют пропорционально
большую площадь поверхности для адсорбции, что приводит к снижению количества
магнитного носителя, требуемого для доставки определенной лекарственной дозы. И
чем меньше магнитный носитель, тем, вероятно, должна быть выше эффективность
поглощения его клетками.
Можно предположить, что другие материалы более приемлемы для решения этой
задачи. Одним из подходов в поиске альтернативных магниточувствительных матери-
алов может быть использование наночастиц переходных металлов, таких как чистые Fe
и Co или металлические сплавы, а также такие соединения, как FeCo. Эти металлические
наночастицы имеют больший магнитный момент, чем оксиды железа. Насыщение
магнетизации FeCo особенно высоко. Тогда использование той же массы магнитного но-
сителя может приводить к значительно большей движущей силе, что улучшает эффек-
тивность доставки лекарственных препаратов. Меньшие концентрации магнитного мате-
риала или более мелкие частицы, могут использоваться для достижения того же магнит-
ного эффекта. Возможно, применение ультрамалых наночастиц, меньших 5 или 10 нм,
позволит производить доставку малых молекул или отдельных участков ДНК.
Однако этот класс наноматериалов имеет свои недостатки. Наночастицы чистых
металлов при комнатной температуре скорее ферромагнитны, чем суперпарамагнитны.
Это означает, что, будучи намагничены, они будут сохранять намагниченность после
выключения магнитного поля, что с большей вероятностью будет приводить к их агло-
мерации. Поэтому многие исследователи занимаются поиском подходящих покрытий,
которые будут предотвращать агрегацию частиц и обеспечивать их химическую ста-
бильность. Для этой цели рассматривается возможность использования инертных метал-
лов, таких как Au и Ag, пептидных лигандов и кремнезема [10].
Предполагается, что такие неорганические материалы, как кремнезем, обладают
свойствами, необходимыми для лекарственной доставки с помощью наночастиц: неток-
сичностью, биосовместимостью, высокой стабильностью, гидрофильностью и пористой
структурой, позволяющей инкапсулирование лекарственных препаратов. Железо,
локализованное внутри пор частиц кремнезема или кремнеземных микрокапсул, придаст
векторам лекарственной доставки магнитные свойства. Это позволит с помощью
внешнего магнитного поля направить частицы или микрокапсулы к специфическим
участкам тела, таким как больной орган. Оба указанных типа кремнеземных материалов
могут быть достаточно малыми для транспорта через кровеносную систему. Скорость
выхода лекарственных препаратов из кремнеземных структур может контролироваться
подбором их размера и пористости. Погружение магнитного материала внутрь
кремнеземного матрикса обеспечивает сведение к минимуму побочных эффектов. В
настоящее время исследователи занимаются экспериментами in vivo на животных и
изучением диффузии лекарств в модельных биологических жидкостях [19].
Альтернативным способом терапевтической обработки опухолевой ткани может
быть эмболизация кровоснабжающих опухоль сосудов магнитной жидкостью, содержа-
щей частицы железа или оксида железа размером порядка нескольких мкм. Были прове-
дены эксперименты in vitro, в которых фиксировали условия эмболизации силиконовых
трубок при создании давления магнитной жидкости, соответствующего кровяному дав-
лению в малых артериях и артериолах организма человека. При этом блокировалось
прохождение по модельным сосудам только частиц, но не жидкости. Полученный ре-
зультат указывает на возможность создания методов приостановки снабжения кислоро-
дом опухолевой ткани [20].
Величина магнитного поля уменьшается с увеличением расстояния до мишени.
Постоянные магниты Nd-Fe-B в комбинации с суперпарамагнитными наночастицами
оксида железа, имеющими отличные магнитные свойства, позволяют достигать эффек-
290
тивной величины магнитного поля на глубине 10 – 15 см внутри тела [1]. Даже при
использовании наиболее сильных физиологически безопасных магнитов, создающих
магнитные поля величиной 1 – 2 Тл, эти поля являются практически однородными вне
зоны мишени и имеют очень малый градиент в этой зоне, что осложняет накопление
магнитных частиц, поскольку магнитная сила, действующая на магнитные частицы,
пропорциональна не только величине магнитного поля, но также и его градиенту.
Эффект дальнейшего повышения величины магнитного поля ограничивается свойствами
магнитного материала, заключенного в магнитных частицах, который, как правило, дос-
тигает магнитного насыщения при сравнительно низких напряженностях магнитного
поля [18]. При использовании внешнего магнита магнитные носители аккумулируются
не только в желаемом участке тела, но также распределяются между внешним магнитом
и областью, в которой эффективное магнитное поле больше некоторой минимальной
величины. Таким образом, геометрия магнитного поля крайне важна и должна учиты-
ваться в процессе создания систем для доставки лекарственных препаратов с помощью
магнитных носителей. Ограничения, связанные с использованием экстракорпоральных
магнитов, могут устраняться путем имплантации дополнительных магнитов внутрь тела
вблизи мишени [1].
В последние годы в работах [21 – 35] выполнен комплекс экспериментальных и
теоретических исследований, направленных на разработку научных основ создания
медико-биологических полифункциональных нанокомпозитов и первого поколения
нанороботов. Проанализированы условия транспорта и удержания магниточувстви-
тельных нанокомпозитов (носителей лекарственных препаратов) с помощью магнитного
поля в кровеносной сосудистой системе. Разработана криохимическая методика синтеза
однодоменного магнетита. Изучены процессы полимеризации на его поверхности акрил-
амида в плазме ВЧ-разряда. Предложена методика получения магнитоуправляемого
носителя лекарственных препаратов на основе ультрадисперсного магнетита с биосов-
местимым полиакриламидным покрытием. Изучены модели магнитоуправляемых
лекарственных препаратов цитотоксического (содержащих платидиам и цисплатин) и
гипертермического действия, вирусинактивирующих магниточувствительных нано-
композитов. Проведена модификация поверхности наночастиц магнетита γ-аминопро-
пилтриэтоксисиланом (γ-АПТЭС) в толуоле. Предложена модель строения поверхности
частиц магнетита, модифицированных γ-АПТЭС. Разработаны магниточувствительные
нанокомпозиты на основе магнетита и диоксида титана с использованием метода жидко-
фазного молекулярного наслаивания. Синтезированы нанокомпозиты магнетит – гидро-
ксид алюминия и изучены их свойства. C целью распознавания микробиологических
объектов исследованы физико-химические процессы функционализации поверхности
нанокомпозитов специфическими антителами.
Полученные данные свидетельствуют о перспективности использования магнито-
управляемых нанокомпозитов для решения ряда актуальных медицинских и биологи-
ческих задач. На их основе созданы опытные образцы наносистем с функциями медико-
биологических нанороботов: способностью распознавания микробиологических объек-
тов, направленного транспорта и депонирования лекарственных препаратов в органе-
мишени, диагностики и терапии заболеваний на клеточном уровне, адсорбции и удале-
ния продуктов клеточного распада под воздействием магнитного поля.
Работа выполнена при поддержке Украинского научно-технологического центра
(проект № 4128).
291
Литература
1. Magnetic nanoparticles for drug delivery / M. Arruebo, R. Fernández-Pacheco, M. Ricardo
Ibarra, J. Santamaría // Nanotoday. – 2007. – V. 2, № 3. – P. 22 – 32.
2. Magnetic nanoparticle design for medical applications / S. Mornet, S. Vasseur, F. Grasset,
P. Veverka, G. Goglio, A. Demourgues, J. Portier, E. Pollert, E. Duguet // Prog. Sol. Stat.
Chem. – 2006. – V. 34. – P. 237 – 247.
3. Sahoo S.K., Labhasetwar V. Nanotech approaches to drug delivery and imaging // Drug
Discov. Today. – 2003. – V. 8, № 24. – P. 1112 – 1120.
4. Yang Y., Li L., Chen G. Synthesis of magnetic particles via a cationic-anionic surfactant
vesicle method // J. Magn. Magn. Mater. – 2006. – V. 305. – P. 40 – 46.
5. Synthesis and characterization of ultrafine well-dispersed magnetic nanoparticles /
Z.L. Liu, H.B. Wang, Q.H. Lu, G.H. Du, L. Peng, Y.Q. Du, S.M. Zhang, K.L. Yao //
J. Magn. Magn. Mater. – 2004. – V. 283. – P. 258 – 262.
6. Investigation of formation of silica-coated magnetite nanoparticles via sol–gel approach /
Y.-H. Deng, C.-C. Wang, J.-H. Hu, W.-L. Yang, S.-K. Fu // Coll. Surf. A: Physicochem.
Eng. Aspects. – 2005. – V. 262. – P. 87 – 93.
7. Synthesis and characterization of tat-mediated O-CMC magnetic nanoparticles having
anticancer function / A. Zhao, P. Yao, C. Kang, X. Yuan, J. Chang, P. Pu // J. Magn. Magn.
Mater. – 2005. – V. 295. – P. 37 – 43.
8. Magnetic targeting of thermosensitive magnetoliposomes to mouse livers in an in situ on-
line perfusion system / E. Viroonchatapan, H. Sato, M. Ueno, I. Adachi, K. Tazawa,
I. Horikoshi // Life Sci. – 1996. – V. 58, № 24. – P. 2251 – 2261.
9. Magnetic nanoemulsions as drug delivery system for Foscan: Skin permeation and
retention in vitro assays for topical application in photodynamic therapy (PDT) of skin
cancer / F.L. Primo, L. Michieleto, M.A.M. Rodrigues, P.P. Macaroff, P.C. Morais,
Z.G.M. Lacava, M.V.L.B. Bentley, A.C. Tedesco // J. Magn. Magn. Mater. – 2007. –
V. 311. – P. 354 – 357.
10. Gould P. Nanomagnetism shows in vivo potential // Nanotoday. – 2006. – V. 1, № 4. –
P. 34 – 39.
11. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles / A. Ito, M. Shinkai,
H. Honda, T. Kobayashi // J. Biosci. Bioeng. – 2005. – V. 100, № 1. – P. 1 – 11.
12. MR of carcinoma-specific monoclonal antibody conjugated to monocrystalline iron oxide
nanoparticles: the potential for noninvasive diagnosis / L.G. Remsen, C.I. McCormick,
S. Roman-Goldstein, G. Nilaver, R. Weissleder, A. Bogdanov, K.E. Hellstrom,
I. Hellstrom, R.A. Kroll, E.A. Neuwelt // Amer. J. Neuroradiol. – 1996. – V. 17. – P. 411 –
418.
13. Elimination of B-lymphoma cells from human bone marrow: model experiments using
monodisperse magnetic particles coated with primary monoclonal antibodies1 /
G. Kvalheim, O. Fodstad, A. Pihl, K. Nustad, A. Pharo, J. Ugelstad, S. Funderud // Cancer
Res. – 1987. – V. 47. – P. 846 – 851.
14. Брыкалов А.В. Получение биопрепаратов на основе методов – аффинной сорбции и
иммобилизации // Дис. … д-ра хим. наук. – 1993. – 330 с.
15. Грядских Д.А. Синтез композиционных аффинных сорбентов с магнитными
свойствами и их технологическое использование при изготовлении чумных иммуно-
биологических препаратов // Дис. … канд. биол. наук. – 2004. – 153 с.
16. Климова В.А. Основные методы анализа органических соединений. – М.: Химия,
1971. – 159 c.
17. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. – М.: Мир, 1983. – 230 с.
292
18. In vitro study of ferromagnetic stents for implant assisted-magnetic drug targeting /
M.O. Avileґsa, H. Chenb, A.D. Ebnera, A.J. Rosengartb, M.D. Kaminskic, J.A. Ritter //
J. Magn. Magn. Mater. – 2007. – V. 311. – P. 306 – 311.
19. Sealy C. Silica key to drug delivery // Research News. – 2006. – V. 1, N 2. – P. 19.
20. Liu J., Flores G.A., Sheng R. In vitro investigation of blood embolization in cancer
treatment using magnetorheological fluids // J. Magn. Magn. Mater. – 2001. – V. 225. –
P. 209 – 217.
21. Магніточутливий носій лікарських препаратів на основі ультрадисперсних магнетит -
поліакриламідних частинок / П.П. Горбик, І.В. Дубровін, А.Л. Петрановська,
О.М. Федоренко, Л.П. Сторожук В.Ф. Чехун, О.О. Чуйко // Доповіді НАН України. –
2005. – № 4. – С 224 – 228.
22. Динаміка виходу лікарського препарату цитостатичної дії „Платидіам” з поверхні
магнітокерованого нанокомпозиту / А.Л. Петрановська, О.М. Федоренко,
П.П. Горбик, Л.П. Сторожук, О.О. Чуйко, В.Ф. Чехун // Мед. хімія. – 2005. – Т. 7, №
2. – С. 75 – 78.
23. Розробка та властивості магніточутливих нанокомпозитів для спрямованого
транспорту лікарських засобів / А.Л. Петрановська, О.М. Федоренко, П.П. Горбик,
О.О. Чуйко, В.Ф. Чехун, І.В. Дубровін, Л.С. Семко, Л.П. Сторожук, М.В. Абрамов,
С.Л. Рево // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2005. – Т. 3, Вип. 3. –
С. 817 – 823.
24. Модифікування наночастинок магнетиту γ-амінопропілтриетоксисиланом рідинно-
фазовим методом / А.Л. Петрановська, О.М. Федоренко, Л.П. Сторожук,
П.П. Горбик, О.О. Чуйко, Л.С. Дзюбенко, О.І. Оранська // Доповіді НАН України. –
2006. – № 1. – С. 157 – 162.
25. Медико-біологічні нанокомпозити на основі магнетиту: синтез, модифікація,
функціоналізація поверхні для застосування in vitro / П.П. Горбик,
А.Л. Петрановська, Л.П. Сторожук, І.В. Дубровін, Л.С. Семко, В.Ф. Чехун // Хімія,
фізика та технологія поверхні, 2006. – Вип. 11-12. – С 374 – 397.
26. Magnetically sensitive nanocomposites for medical and biological applications /
P.P. Gorbik, L.P. Storozhuk, O.O. Chuiko, L.Yu. Vergun, V.F. Chekhun // Surface
chemistry and nanomaterials in biomedical and environmental science: ІІ Mathematics,
Physics and Chemistry: - NATO Science Series, 2006. – V. 228. – P. 299 – 306.
27. Использование некоторых оксидов металлов и их нанокомпозитов в качестве
сорбентов оболочечных вирусов / Л.Ю. Вергун, П.П. Горбик, Е.П. Трохименко,
Л.М. Исакова, Л.П. Сторожук, А.А. Чуйко // Доп. НАН України. – 2006. – №10. –
С. 140 – 145.
28. Одержання магніточутливих нанокомпозитів Fe3O4-ТіО2 методою рідиннофазного
молекулярного нашарування / А.П. Шпак, А.Л. Петрановська, П.П. Горбик,
О.І. Оранська, Л.П. Сторожук, Л.Ю. Вергун, О.М. Кордубан // Наносистеми,
наноматеріали, нанотехнології. – 2006. – Т. 4, Вип. 3. – С. 623 – 632.
29. Структура та магнітні властивості нанокристалічного магнетиту і нанокомпозитів на
його основі / Л.С. Семко, П.П. Горбик, С.Л. Рево, Л.П. Сторожук, О.І. Оранська,
О.І. Скрипка // Вісн. Київ. ун-ту: фіз.-мат. науки. – 2006. – Вип. 4. – С. 472 – 480.
30. Модифікування магнетиту діоксидом титану та властивості одержаних
нанокомпозитів / Л.С. Семко, П.П. Горбик, О.О. Чуйко, Л.П. Сторожук,
І.В. Дубровін, О.І. Оранська, С.Л. Рево // Доп. НАН України. – 2007. – №2. – С. 150 –
157.
31. Синтез та властивості нанокомпозитів на основі магнетиту, модифікованого оксидом
кремнію / Л.С. Семко, П.П. Горбик, Л.П. Сторожук, І.В. Дубровін, О.О. Чуйко,
О.І. Оранська, О.І. Скрипка // Доп. НАН України. – 2007. – № 3. – С. 153 – 160.
293
32. Нанокомпозити на основі магнетиту / П.П. Горбик, А.Л. Петрановська,
Л.П. Сторожук, Н.Ю. Лук’янова, О.М. Кордубан, С.М. Махно, О.О. Чуйко,
В.Ф. Чехун, А.П. Шпак // Укр. хім. журн. – 2007. – Т. 73, № 5. – С. 24 – 29.
33. Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур // Под ред.
А.П. Шпака, П.П. Горбика. – Киев: Наук. думка. – 2007.– Т.1. – 430 с.
34. Нанокомпозиты медико-биологического назначения на основе ультрадисперсного
магнетита / А.П. Шпак, В.Ф. Чехун, Л.Г. Гречко, И.В. Дубровин,
А.Л. Петрановская, Л.Ю. Вергун, О.М. Кордубан // Физико-химия наноматериалов и
супрамолекулярных структур. – Киев: Наукова думка. – 2007.– Т. 1. – С. 45 – 89.
35. Сторожук Л.П. Синтез та властивості поліфункціональних магніточутливих
нанокомпозитів // Автореф. дис. … канд. хім. наук. – Київ, 2007. – 21 с.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-236 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:40Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/5c/58b6d8ea9b740d0db7b0f7a80ac6c35c.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2362018-11-27T09:40:57Z Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases Магнитные наночастицы и нанокомпозиты в диагностике и лечении заболеваний Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases Turanskaya, S. P. Turov, V. V. Gorbyk, P. P. The review is made on the development and use of magnetic nanocomposite materials, which are perspective for target drug delivery, hyperthermia, as contrasting agents in magnetic resonance imaging, in immunotests and for the purification or separation of different bioobjects. Представлен обзор литературы по разработке и использованию магнитоуправляемых нанокомпозитов, перспективных для целенаправленной доставки лекарственных препаратов, гипертермической обработки определенных участков тела или клеток, в качестве контрастирующих агентов в методе получения изображений с помощью магнитного резонанса, в иммунотестах и при очистке или разделении различных биологических объектов. The review is made on the development and use of magnetic nanocomposite materials, which are perspective for target drug delivery, hyperthermia, as contrasting agents in magnetic resonance imaging, in immunotests and for the purification or separation of different bioobjects. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/236 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 273-294 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 273-294 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 273-294 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/236/234 Авторське право (c) 2007 S.P. Turanskaya, V.V. Turov, P.P. Gorbyk |
| spellingShingle | Turanskaya, S. P. Turov, V. V. Gorbyk, P. P. Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title_alt | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases Магнитные наночастицы и нанокомпозиты в диагностике и лечении заболеваний |
| title_full | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title_fullStr | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title_full_unstemmed | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title_short | Magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| title_sort | magnetic nanoparticles and nanocomposites in diagnostics and treatment of diseases |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/236 |
| work_keys_str_mv | AT turanskayasp magneticnanoparticlesandnanocompositesindiagnosticsandtreatmentofdiseases AT turovvv magneticnanoparticlesandnanocompositesindiagnosticsandtreatmentofdiseases AT gorbykpp magneticnanoparticlesandnanocompositesindiagnosticsandtreatmentofdiseases AT turanskayasp magnitnyenanočasticyinanokompozityvdiagnostikeilečeniizabolevanij AT turovvv magnitnyenanočasticyinanokompozityvdiagnostikeilečeniizabolevanij AT gorbykpp magnitnyenanočasticyinanokompozityvdiagnostikeilečeniizabolevanij |