Биосовместимые магнитные наночастицы для медицины и промышленности создали уральские ученые

Биосовместимые магнитные наночастицы разработала и испытала команда исследователей из Уральского федерального университета, Института медицинских клеточных технологий, Уральского государственного медицинского университета и Института электрофизики УрО РАН. Важное применение новых материалов — биомедицина: наночастицы можно адресно доставлять в конкретные места в организме в составе магнитных жидкостей для диагностики и уничтожения опухолей, локальной доставки лекарств, заживления язв желудка. Кроме того, частицы пригодятся для защиты и совершенствования оборудования в разных сферах — от медицины до транспорта.

Магнитные наноматериалы широко применяются в медицине, даже в детской хирургии. Возможность перемещать такие наночастицы с помощью магнитного поля позволяет доставлять их в нужное место в организме. Сегодня российские исследователи разрабатывают и испытывают собственные технологии в этой сфере в связи с импортозамещением.

Магнитные наночастицы могут использоваться в лечении рака. Введение таких структур в опухоль с их последующим нагревом способно помочь «выжечь» злокачественное образование без вмешательства хирурга. Магнитные наночастицы можно применять и для диагностики рака — определения формы, размеров, положения опухолей. О том, как это происходит, корреспонденту «Научной России» рассказала соавтор проекта, профессор-исследователь кафедры магнетизма и магнитных материалов УрФУ Галина Владимировна Курляндская.

«В современной медицине существуют специальные способы модификации поверхности наночастиц, позволяющие обеспечить их специфическое взаимодействие с раковыми клетками. В результате получается так, что наночастицы накапливаются в клетках злокачественной опухоли, но отсутствуют в здоровых клетках организма. Сами по себе ткани и биожидкости живого организма очень слабомагнитны, но те части, где накапливаются магнитные наночастицы, будут иметь очень сильный магнитный сигнал. Именно величину такого магнитного сигнала от разных участков организма и можно измерять с помощью современных детекторов слабых магнитных полей, например, с помощью датчика магнитного импеданса, — объяснила Г.В. Курляндская. — Конечно, нужно создать специальную сканирующую систему, разработать программное обеспечение для воссоздания участка опухоли в трех измерениях, но сам принцип прост: контраст создается различием магнитных свойств здоровой ткани и участков, подверженных раковому заболеванию».

Датчики, работающие на основе гигантского магнитного импеданса, — одни из наиболее чувствительных сенсоров слабых магнитных полей. Эти современные приборы позволяют отслеживать магнитные поля наночастиц внутри опухоли и помогают вычислять их концентрацию в той или иной части организма. Их разработка — еще одна область научного интереса исследователей кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ.

Другой вариант применения новых наночастиц в медицине — создание «заплаток» для язв желудка, помогающих повреждениям затягиваться быстрее. Для этого изготавливается имитирующий живую ткань феррогель с наночастицами. Под управлением магнитного поля масса с наночастицами доставляется в нужное место и закрепляется в заданном положении. Подобные подходы сегодня очень актуальны во всем мире.

Магнитные наночастицы также можно использовать для целевой доставки лекарств — например, при борьбе с тромбозом их можно связать с препаратом-тромболитиком и с помощью магнитного поля отправить прямо к тромбу. Это повысит адресность лечения и уменьшит побочные эффекты.

Размер созданных уральскими учеными наночастиц — всего 10–15 нм. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет 50 тыс.–70 тыс. нм. Материал частиц — маггемит (разновидность оксида железа) — отличается доступностью и высокой биосовместимостью. Наноструктуры были получены в лаборатории импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН путем лазерного испарения мишени, прессованной из микрочастиц Fe₃O₄ (магнетита). Технология позволяет получать наночастицы в больших количествах (до 400 г) с разными характеристиками.

Как магнитные наночастицы вводятся в организм?

«Мы не можем просто “насыпать” наночастицы, как солим суп, или проглотить их в виде таблетки. Для биоприложений нужна водная суспензия — взвесь наночастиц, в которой они не оседают достаточно долгое время», — пояснила Галина Владимировна Курляндская. Суспензия представляет собой раствор из нескольких компонентов, главное предназначение которого — сделать так, чтобы магнитные наночастицы покрылись подобием оболочки и перестали слипаться. Для каждого варианта применения наночастиц создается своя суспензия, которая тестируется на конкретной клеточной культуре.

Окажись магнитные наночастицы в кровотоке «в чистом виде», их сразу дезактивируют защитные клетки макрофаги, приняв за опасные инородные тела. Чтобы избежать атаки маленьких «охранников», наночастицы в суспензии должны тем или иным образом «слиться» с собственными клетками организма: например, попасть внутрь или закрепиться на клеточной мембране. После слияния с клетками наночастицы могут успешно добраться до места терапии.

Чтобы проверить, как магнитные наночастицы взаимодействуют с живыми клетками, исследователи протестировали разработку на культуре клеток костного мозга человека. Причин две: этот биоматериал уже привычен для ученых, так как широко применяется в медицине, и, кроме того, с помощью специальных манипуляций данный вид клеток можно превращать в другие клетки, характерные для разных тканей.

«Различные клеточные культуры взаимодействуют с наночастицами по-разному. Много лет назад мы работали с культурой HEK (от human embryonic kidney) — клетками почки эмбриона человека. Этот вид клеток использует механизм фагоцитоза — создает карман клеточной стенки, обволакивает наночастицы, после чего растворяет внутренний участок клеточной стенки, и наночастицы оказываются внутри клетки. В случае с костномозговыми клетками закрепление на клеточной мембране может осуществляться с помощью белков, размещенных на ее поверхности. Фактически здесь может возникать очень сложная структура — наполненный композит, то есть биополимер, в состав которого входят наночастицы, как бы захваченные в сетчатые ловушки, образованные полимерными цепями», — сказала Г.В. Курляндская.

Как происходит введение магнитных наноматериалов в организм непосредственно в медицинской практике?

«Подготовленный препарат можно ввести внутривенно в кровоток, но есть методики, когда он вводится посредством инъекции непосредственно в зону терапии — раковую опухоль или участок, подверженный тромбозу, — пояснила Галина Владимировна Курляндская. — Специально подготовленные клетки с наночастицами можно вводить в желудочно-кишечный тракт именно как клеточную культуру, но можно также вырастить такую культуру на поверхности феррогеля, который сам доставит материал в зону терапии. Сейчас наши коллеги работают над тем, чтобы создать на основе наночастиц деградирующие гелевые имплантаты, которые легче выводятся из организма».

Созданные исследователями наночастицы можно использовать не только в медицине. Например, на их основе можно изготавливать композитные материалы для защиты оборудования (в том числе медицинского) от электромагнитных помех, а также для совершенствования детекторов положения (применяемых на сборочных линиях на производствах) и ориентации (используемых в транспорте). Еще один вариант применения наночастиц — производство современных магнитных материалов для магнитных холодильников — более эффективных и экологичных, чем их традиционные аналоги.

Подробнее о разработке можно прочитать в статье в «Коллоидном журнале». Исследование выполнено по государственному заданию Министерства здравоохранения России (проект № 121032300335–1 «Магнитоактивные микросистемы-имплантаты биологических тканей на основе феррогелей») при финансовой поддержке в рамках программы «Приоритет-2030».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ 

Фото на превью и на странице: Родион Нарудинов / пресс-служба УрФУ