Зачем нужны микро- и наночастицы для медицинских применений? Сегодня изучаются методы, как с их помощью доставлять биоактивные вещества непосредственно к тем клеткам, на которые направлено действие препарата, чтобы снизить общую токсикацию организма. Более того, наночастицы могут использоваться в микроскопии для имаджинга, то есть с помощью наночастиц можно визуализировать внутриклеточное пространство, если, например, частицы маркировать каким-нибудь флуоресцентным маркером. Также очень активно ведутся исследования в области гипертермии с помощью наночастиц, например магнитных. Если ввести в организм магнитные частицы, а затем поместить его в переменное магнитное поле, можно локально повысить температуру в желаемой части организма, что может привести к тепловому повреждению и разрушению опухолевых клеток. При этом здоровые клетки затронуты не будут.
Заниматься исследованиями в области эффективных методов доставки биоактивных веществ с помощью микро- и наночастиц Михаил начал в магистратуре по направлению «Биофотоника» Марбургского университета имени Филиппа в Германии, куда он поступил после окончания Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Выбор университета был обоснован тем, что в нем работал известный профессор Вольфганг Парак (Wolfgang Parak), с которым Михаил уже занимался исследованиями в области нанофотоники в биологии.
Проект по изучению захвата нано- и микрочастиц из карбоната кальция разной формы и размера
Это был один из первых проектов, которым Михаил Зюзин занимался в магистратуре. Клетка способна захватывать частицы, которые находятся в среде для культивации клеток. Захват частиц клетками и кинетика процесса сильно зависят от множества параметров, например, от физико-химических свойств частиц, самой среды, где распределены частицы. Важный параметр, влияющий на интернализацию частиц клетками, – это форма частиц.
По окончании этого проекта было выяснено, что чем выше соотношение сторон частиц (например, эллипсоиды), тем интенсивнее происходил захват частиц раковыми клетками.
«Моя задача состояла в синтезе частиц кубической, эллиптической и других форм, а также изучении захвата этих частиц раковыми клетками. Это был несложный проект, однако я научился многим химическим методам синтеза микро- и наночастиц, а также физическим методам по изучению взаимодействия нано- и микроматериалов с клетками», – прокомментировал Михаил.
В этом проекте частицы были выполнены из карбоната кальция. Главным преимуществом его является биосовместимость, также этот материал способен деградировать внутри клетки, что позволяет использовать карбонат кальция в качестве систем для доставки веществ в клетки. Биоактивные вещества могут быть загружены в карбонат кальция, так как этот материал имеет пористую структуру.
Проект по исследованию стабильности наночастиц, покрытых полимером
При взаимодействии частиц с клетками, частицы чаще всего находятся в биологических жидкостях, в которых содержится большое количество различных органических веществ, например, белков, факторов роста, солей. Эти вещества могут абсорбироваться на поверхности частицы, тем самым меняя их физико-химические свойства. В самом худшем случае это может привести к снижению стабильности и последующей агрегации частиц, что недопустимо для медицинских применений. Зачастую, чтобы повысить стабильность частиц, их покрывают полимерами, которые повышают электростатические и стерические эффекты между частицами.
Исследованием стабильности частиц, покрытых различными полимерами, Михаил занимался в ходе второго проекта во время магистратуры. Для этого частицы были перенесены в разные биологические жидкости при различных температурах, чтобы симулировать реальные биологические условия. В качестве самой наночастицы выступало золото, так как этот материал хорошо изучен и часто используется в наномедицине. В качестве главного результата этой работы были выявлены полимерные покрытия, которые могут повысить стабильность частиц при работе с клетками.
Проекты по изучению использования полимерных капсул для доставки биоактивных веществ в клетки
В рамках своей аспирантской деятельности, которую Михаил вел в той же научной группе «Биофотоника», он стал разрабатывать новые, более эффективные средства доставки веществ в клетки. В качестве таких систем были выбраны полимерные капсулы, которые, помимо своей нетоксичности, обладают рядом преимуществ, например, это дешевизна и стабильность синтеза. В одном из последних проектов в Германии Михаилу и команде удалось контролируемо высвобождать макромолекулы внутри нужных клеток с помощью видимого света. Для этого золотые наночастицы внедрили в оболочку полимерных капсул, чтобы при облучении капсул в клетках определенной длиной волны можно было дистанционно их открыть и высвободить вещества внутрь клетки. Технология позволит селективно доставлять вещества в нужные клетки, а также дистанционно влиять на клетки, например, проводить внутриклеточную флюоресцентную маркировку.
Биосовместимые полимерные капсулы также могут быть использованы в качестве медиаторов для лечения онкологических заболеваний с помощью гипертермии. Данный проект был выполнен Михаилом в рамках стипендии Марии Кюри в Итальянском институте технологий в Генуе в научной группе Нанохимия (Liberato Manna). Как уже упоминалось выше, биологические условия могут оказать серьезное влияние на физико-химические свойства частиц. Поэтому для введения нано- или микроматериалов в клиническое использование, важно уметь контролировать их свойства, чтобы суметь предсказать возможный отклик организма на введенные материалы. С этой целью была разработана новейшая методика инкапсуляции медиаторов нагрева для гипертермии (магнитных наночастиц) в полость полимерных капсул для того, чтобы избежать агрегации частиц и тем самым стабилизировать их нагрев в переменном магнитном поле.
Полимерными капсулами Михаил продолжает заниматься сейчас в качестве сотрудника Университета ИТМО, последние результаты были совсем недавно опубликованы.
Сотрудничество с медицинскими институтами
Сейчас Михаил сотрудничает с исследователями-медиками и биологами из Государственного медицинского университета им. академика И. П. Павлова, НИИ детской онкологии, гематологии им Р. М. Горбачевой, где проводятся эксперименты по доставке веществ уже in vivo, то есть разработанная технология доставки биологически активных веществ применяется на животных.
«Образовалось некоторое сообщество заинтересованных в этих исследованиях людей, в котором есть медики, которые могут непосредственно сказать, что им нужно на практике. То есть мы работаем уже не просто над доказательством концепции, а решаем конкретные медицинские задачи», – отметил Михаил.
Например, сейчас в Первом медицинском идут эксперименты по ускорению регенерации тканей после операции по удалению зуба у кролика. Используется изученная Михаилом технология по доставке биоактивных веществ в клетки. Для этого были синтезированы специальные трехмерные биосовместимые скаффолды, функционализированные капсулами с заживляющими лекарственными препаратами. Цель исследования – ускорение регенерации тканей.
В НИИ Гриппа сейчас проводятся другие исследования, где генетический материал доставляется в клетку с помощью капсул из диоксида кремния. В качестве генетического материала используются малые интерферирующие РНК, которые, взаимодействуя с целевой матричной РНК (например, вирусной) в клетке, деградируют последнюю. Так ученые планируют бороться с вирусом гриппа.
Активная работа ведется и с коллегами из физико-технического факультета: ученые изучают удаленное открытие капсул в организме, так как сложность заключается не только в доставке лекарств в клетки, но и в их контролируемом высвобождении внутри организма. Для выполнения этой задачи были подключены физики из микроволнового отделения физико-технического факультета. Преимущества микроволнового излучения заключается в его способности проникать в тело на большую глубину. Более того, таргетная доставка веществ и контролируемый дистанционный релиз этих веществ в организме являются сейчас приоритетными направлениями прикладной медицине и науке о материалах.
«Все эти исследования являются междисциплинарными: химики, физики, биологи активно взаимодействуют между собой и делятся своими знаниями. Именно поэтому важно сотрудничать с разными институтами, в которых работают ученые с развитыми компетенциями в своей области, а также, что важно, имеется необходимое для работы оборудование. В свою очередь, мы стараемся делиться нашими знаниями и компетенциями для достижения общей цели. Большой плюс нашего физико-технического факультета в том, что здесь все ребята открыты новому, готовы развивать новые перспективные направления исследований, поэтому мы и решили запустить новое междисциплинарное научное направление. Здесь у меня есть большая свобода в выборе научных тем, которые я хочу развивать. Я могу продолжать коллаборировать со своими немецкими коллегами, а также привлекать новых людей в свои проекты», – сказал Михаил Зюзин.
Стоит добавить, что ученый организует специальную секцию «Биотехнологии» на конференции МЕТАНАНО-2018, которая состоится в Сочи в сентябре. В рамках секции обсудят последние разработки и применения метаматериалов и наночастиц для биомедицинских приложений.
Статья: Laterally and Temporally Controlled Intracellular Staining by Light-Triggered Release of Encapsulated Fluorescent Markers, Karsten Kantner, Dr. Joanna Rejman, Karl V. L. Kraft, Dr. Mahmoud G. Soliman, Dr. Mikhail V. Zyuzin, Dr. Alberto Escudero, Dr. Pablo del Pino, Prof. Dr. Wolfgang J. Parak, Chemistry a European Journal, 2018.
