Отслежено поведение наночастиц в организме

Наночастицы активно применяются в медицине для диагностики как контрастные агенты, а также для терапии различных заболеваний. Однако разработка многих новых многофункциональных наноагентов сдерживается трудностью мониторинга их судьбы в организме. Коллаборация ученых, в которую вошли специалисты из МФТИ, разработала новый неинвазивный метод наблюдения за наночастицами в кровотоке, обладающий высоким временным разрешением. Метод позволил установить основные закономерности, которые влияют на жизнь частиц в кровотоке и представляются перспективными для разработки более эффективных наноагентов для биомедицинских применений.

Отслежено поведение наночастиц в организме / ©phototass3.cdnvideo.ru

Результаты опубликованы в Journal of Controlled Release. Клинические применения любых наночастиц требуют точного анализа их поведения в организме, особенно — времени нахождения наночастиц в кровотоке. Именно этот параметр определяет, успеют ли наночастицы распространиться по организму, достигнуть свою терапевтическую мишень (например, опухоль) и связаться с ней. Кроме того, излишне длинное время циркуляции может быть вредно, так как может привести к накоплению частиц в здоровых тканях и, соответственно, повысить их побочную токсичность.

Циркуляция наночастиц в кровотоке сегодня изучается главным образом с помощью различных методов забора образцов крови и анализа содержания в ней наноагентов. «Проблема таких методов в том, что часто частицы выводятся из кровотока очень быстро, иногда даже за несколько минут, и исследователь успевает взять только 2–3 образца крови, что недостаточно для полноценного анализа», — комментирует Максим Никитин, соавтор статьи, заведующий лабораторией нанобиотехнологий МФТИ.

Кроме того, сама процедура последовательного взятия крови приносит стресс организму и может опосредованно повлиять на циркуляцию наночастиц. Новые неинвазивные методы отслеживания судьбы наночастиц в организме крайне востребованы для развития наномедицины.

Авторы работы — ученые из МФТИ, Института биоорганической химии РАН, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, МИФИ и Университета «Сириус» — применили разработанный ими ранее индукционный метод детекции магнитных частиц (MPQ — от английского magnetic particle quantification) для неинвазивного измерения динамики частиц в крови.

Рисунок. 1. Схема проведения экспериментов. Хвост мыши помещался в катушку, частицы, циркулирующие по сосудам хвоста детектировались магнитной катушкой в реальном времени / ©Journal of Controlled Release

Для этого они помещали хвост животных, мышей или кроликов, в магнитную катушку прибора, затем вводили частицы в кровь и наблюдали за их концентрацией в хвостовых венах и артериях в реальном времени. Подобные измерения могут проводиться и на человеке, например, измерением магнитной катушкой частиц в руке или на кончиках пальцев.

Исследования показали, что используемый метод дает возможность неинвазивно регистрировать уникальные по информативности кинетики частиц в кровотоке, причем гораздо проще, чем классические подходы. Это позволило подробно изучить, что может повлиять на поведение частиц в кровотоке животных. Исследователи изучили три группы факторов: свойства частиц, особенности их введения, а также состояние организма животного.

Дольше пребывали в кровотоке маленькие отрицательно-заряженные наночастицы, вводимые в высоких дозах. Кроме того, было обнаружено, что если вводить в кровь частицы несколько раз подряд, то циркуляция последующих доз частиц значительно продлевается.

«Подобные ситуации могут встречаться в клинической практике, когда человеку сначала вводятся наноагенты, увеличивающие МРТ-контраст (магнитные частицы), а потом — терапевтические наночастицы, например, липосомы с лекарством. Мы показали, что частицы могут влиять друг на друга, и это может быть важно при терапии», — комментирует Иван Зелепукин, первый автор статьи и младший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН и МФТИ.

Крайне важным аспектом оказалось состояние организма, в который вводятся частицы. Так, циркуляция у мышей разных генетических линий могла отличаться в несколько раз, причем различие наблюдалось только для маленьких 50-нм частиц, а не для более крупных наноагентов. Кроме того, если животное имело развитую опухоль, наночастицы начинали быстрее выводиться из крови, причем тем скорее, чем больше объем раковой опухоли.

Эти факты в работе связываются с динамическими изменениями иммунной системы и ее большей способностью к распознаванию инородных веществ при развитии патологии. Обычно подобная информация о состоянии организма игнорировалась ранее в экспериментах, поэтому своими результатами авторы привлекают внимание к необходимости открыть этот ящик Пандоры для оптимального дизайна нанолекарств.

 
ФизТех
 
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.